Des chercheurs de l’Université de Linköping ainsi que des collègues de Pologne et du Chili ont confirmé une théorie proposant un lien entre le principe de complémentarité et l’incertitude entropique. Leur étude est publié dans la revue Avancées scientifiques.
« Nos résultats n’ont pas d’application claire ou directe pour le moment. C’est la recherche fondamentale qui pose les bases des technologies futures en matière d’information quantique et d’ordinateurs quantiques. Il existe un énorme potentiel de découvertes complètement nouvelles dans de nombreux domaines de recherche différents », déclare Guilherme B Xavier, chercheur à communication quantique à l’Université de Linköping, Suède.
Mais pour comprendre ce que les chercheurs ont montré, il faut commencer par le début.
Le fait que la lumière puisse être à la fois constituée de particules et d’ondes est l’une des caractéristiques les plus illogiques, mais en même temps fondamentales, de la mécanique quantique. C’est ce qu’on appelle la dualité onde-particule.
La théorie remonte au XVIIe siècle, lorsqu’Isaac Newton suggérait que la lumière était composée de particules. D’autres érudits contemporains pensaient que la lumière était constituée d’ondes. Newton a finalement suggéré que cela pourrait être les deux, sans pouvoir le prouver. Au XIXe siècle, plusieurs physiciens, dans diverses expériences, ont montré que la lumière est en réalité constituée d’ondes.
Mais au début des années 1900, Max Planck et Albert Einstein ont tous deux contesté la théorie selon laquelle la lumière n’est que des ondes. Cependant, ce n’est que dans les années 1920 que le physicien Arthur Compton a pu démontrer que la lumière possédait également de l’énergie cinétique, une propriété classique des particules.
Les particules étaient appelées photons. Ainsi, il a été conclu que la lumière peut être à la fois des particules et des ondes, exactement comme le suggérait Newton. Les électrons et autres particules élémentaires présentent également cette dualité onde-particule.
Mais il n’est pas possible de mesurer le même photon sous forme d’onde et de particule. Selon la manière dont est effectuée la mesure du photon, soit des ondes, soit des particules sont visibles. C’est ce qu’on appelle le principe de complémentarité et a été développé par Niels Bohr au milieu des années 1920. Il stipule que peu importe ce que l’on décide de mesurer, la combinaison des caractéristiques des ondes et des particules doit être constante.
En 2014, une équipe de recherche de Singapour a démontré mathématiquement un lien direct entre le principe de complémentarité et le degré d’information inconnue dans un système quantique, ce qu’on appelle l’incertitude entropique.
Cette connexion signifie que quelle que soit la combinaison d’ondes ou de particules caractéristiques d’un système quantique, la quantité d’informations inconnues représente au moins un bit d’information, c’est-à-dire l’onde ou la particule non mesurable.
Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont réussi à confirmer dans la réalité la théorie des chercheurs de Singapour à l’aide d’un nouveau type d’expérience.
« De notre point de vue, c’est une manière très directe de montrer le comportement de base de la mécanique quantique. C’est un exemple typique de physique quantique où nous pouvons voir les résultats, mais nous ne pouvons pas visualiser ce qui se passe à l’intérieur de l’expérience. Et pourtant, il peut être utilisé pour des applications pratiques. C’est très passionnant et confine presque à la philosophie », déclare Guilherme B Xavier.
Dans leur nouvelle configuration expérimentale, les chercheurs de Linköping ont utilisé des photons avançant dans un mouvement circulaire, appelé moment cinétique orbital, contrairement au mouvement d’oscillation plus courant, qui va de haut en bas. Le choix du moment cinétique orbital permet de futures applications pratiques de l’expérience, car il peut contenir plus d’informations.
Les mesures sont effectuées dans un instrument couramment utilisé en recherche, appelé interféromètre, où les photons sont projetés sur un cristal (séparateur de faisceau) qui divise le trajet des photons en deux nouveaux trajets, qui sont ensuite réfléchis de manière à se croiser. sur un deuxième séparateur de faisceau, puis mesurés sous forme de particules ou d’ondes en fonction de l’état de ce deuxième appareil.
Découvrez les dernières nouveautés en matière de science, de technologie et d’espace avec plus de 100 000 abonnés qui comptent sur Phys.org pour des informations quotidiennes. Inscrivez-vous à notre bulletin d’information gratuit et obtenez des mises à jour sur les percées, les innovations et les recherches qui comptent :quotidiennement ou hebdomadairement.
L’une des particularités de ce dispositif expérimental réside dans le fait que le deuxième séparateur de faisceau peut être partiellement inséré par les chercheurs dans le trajet de la lumière. Cela permet de mesurer la lumière sous forme d’ondes ou de particules, ou d’une combinaison de celles-ci dans la même configuration.
Selon les chercheurs, les résultats pourraient avoir de nombreuses applications futures dans les domaines de la communication quantique, de la métrologie et de la cryptographie. Mais il y a aussi beaucoup plus à explorer au niveau de base.
« Dans notre prochaine expérience, nous souhaitons observer le comportement du photon si nous modifions le réglage du deuxième cristal juste avant que le photon ne l’atteigne. Cela montrerait que nous pouvons utiliser cette configuration expérimentale en communication pour distribuer en toute sécurité des clés de cryptage. , ce qui est très excitant », déclare Daniel Spegel-Lexne, Ph.D. étudiant au Département de génie électrique.
Plus d’informations :
Daniel Spegel-Lexne et al, Démonstration expérimentale de l’équivalence de l’incertitude entropique avec la dualité onde-particule, Avancées scientifiques (2024). DOI : 10.1126/sciadv.adr2007. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr2007