Des expériences quantiques avec des photons intriqués remportent le prix Nobel de physique 2022

Les tests d’étrangeté quantique et ses applications potentielles dans le monde réel ont été récompensés par le prix Nobel de physique 2022.

À un certain niveau, nous sommes tous soumis à des règles quantiques que même Albert Einstein a eu du mal à accepter. Pour la plupart, ces règles jouent dans les coulisses des transistors qui composent les puces informatiques, les lasers et même dans la chimie des atomes et des molécules dans les matériaux qui nous entourent. Les applications qui découlent du prix Nobel de cette année tirent parti des caractéristiques quantiques à plus grande échelle. Ils comprennent des communications absolument sécurisées et des ordinateurs quantiques qui pourraient éventuellement résoudre des problèmes qu’aucun ordinateur conventionnel imaginable ne pourrait résoudre pendant la durée de vie de l’univers.

Le prix de cette année est partagé entre trois physiciens. Alain Aspect et John Clauser ont confirmé que les règles de la mécanique quantique, aussi étranges et difficiles à croire qu’elles soient, gouvernent vraiment le monde, tandis qu’Anton Zeilinger a profité d’étranges comportements quantiques pour développer des applications rudimentaires qu’aucune technologie conventionnelle ne peut égaler. Chaque lauréat remportera un tiers du prix en argent, qui s’élève à 10 millions de couronnes suédoises, d’une valeur d’environ 915 000 dollars au 4 octobre.

« Aujourd’hui, nous rendons hommage à trois physiciens dont les expériences pionnières nous ont montré que le monde étrange de l’intrication… n’est pas seulement le micro-monde des atomes, et certainement pas le monde virtuel de la science-fiction ou du mysticisme, mais c’est le monde réel dans lequel nous vivons tous. in », a déclaré Thors Hans Hansson, membre du comité Nobel de physique, lors d’une conférence de presse annonçant le prix le 4 octobre à l’Académie royale des sciences de Suède (SN : 11/5/10).

« C’était certainement très excitant d’en savoir plus sur les trois lauréats », déclare le physicien Jerry Chow d’IBM Quantum à Yorktown Heights, N.Y. « Aspect, Zeilinger et Clauser – ils sont tous très, très bien connus dans notre communauté quantique, et leur travail est quelque chose qui a vraiment été une grande partie des efforts de recherche de nombreuses personnes au cours de nombreuses années.

Aspect, de l’Université Paris-Saclay et de l’École polytechnique en France, et Clauser, qui dirige maintenant une entreprise en Californie, ont montré qu’il n’y a pas de canaux secrets de communication qui expliquent comment deux particules peuvent exister comme une seule entité, même si elles sont éloignés (SN : 29/12/14).

Les expériences de Zeilinger, de l’Université de Vienne, qui s’appuient sur ce comportement quantique incluent des démonstrations de communications, de cryptage absolument sécurisé et de composants cruciaux pour les ordinateurs quantiques. Il a été le pionnier d’une autre application largement incomprise : la téléportation quantique. Contrairement à la téléportation de personnes et d’objets dans la science-fiction, l’effet implique la transmission parfaite d’informations sur un objet quantique d’un endroit à un autre.

« J’ai toujours été intéressé par la mécanique quantique dès les premiers instants où j’ai lu à ce sujet », a déclaré Zeilinger par téléphone lors de la conférence de presse annonçant le prix. « J’ai en fait été frappé par certaines des prédictions théoriques, car elles ne correspondaient pas aux intuitions habituelles que l’on pourrait avoir. »

La découverte du comportement quantique qui régit le monde à petite échelle, comme le mouvement d’un électron autour d’un atome, a révolutionné la physique au début du XXe siècle. De nombreux scientifiques de premier plan, dont Einstein, le plus célèbre, ont reconnu que les théories quantiques fonctionnaient, mais ont soutenu qu’elles ne pouvaient pas être la véritable description du monde car elles impliquaient, au mieux, de calculer les probabilités que quelque chose se produise (SN : 1/12/ 22). Pour Einstein, cela signifiait qu’il y avait des informations cachées que les expériences étaient trop grossières pour découvrir.

D’autres pensaient que le comportement quantique, appelé bizarrement de manière péjorative, bien que difficile à comprendre, n’avait aucun moyen secret de transmettre des informations. C’était en grande partie une question d’opinion et de débat jusqu’à ce que le physicien John Bell propose un test dans les années 1960 pour prouver qu’il n’y avait pas de canaux de communication cachés entre les objets quantiques (SN : 29/12/14). À l’époque, il n’était pas clair qu’une expérience pour effectuer le test était possible.

Clauser a été le premier à développer une expérience pratique pour confirmer le test de Bell, bien qu’il restait des lacunes que son expérience n’a pas pu vérifier, ce qui laissait place au doute. (Son intérêt pour la science s’est développé tôt. En 1959 et 1960, Clauser a participé à la National Science Fair, maintenant connue sous le nom de International Science and Engineering Fair (SN: 23/05/59). La foire est gérée par la Society for Science, qui publie Science News.)

Aspect a poussé l’idée plus loin pour éliminer toute chance que la mécanique quantique ait des fondements cachés de la physique classique (SN: 1/11/86). Les expériences de Clauser et Aspect consistaient à créer des paires de photons qui étaient intriqués, ce qui signifie qu’ils étaient essentiellement un seul objet. Au fur et à mesure que les photons se déplaçaient dans des directions différentes, ils restaient intriqués. Autrement dit, ils continuent d’exister en tant qu’objet unique et étendu. Mesurer les caractéristiques de l’un révèle instantanément les caractéristiques de l’autre, quelle que soit leur distance.

L’intrication est une situation délicate et difficile à maintenir, mais les résultats des expériences de Clauser et Aspect montrent que les effets quantiques ne peuvent être expliqués avec des variables cachées qui seraient des signes de fondements non quantiques.