Les nouveaux paradoxes de la physique quantique

Avertissement au lecteur. Ce qui va suivre peut étonner, troubler, choquer, au point de faire douter d’avoir bien lu. Pourtant, les personnages sont réels, les expériences validées par la communauté scientifique et reproduites. Mais « ne tentez pas cela chez vous », comme préviennent les retransmissions de catch. L’usage des concepts, conclusions, réflexions rapportées ici doit être réservé aux professionnels sous peine de dérapages incontrôlés et d’extrapolations risquées.

Il ne s’agit cependant que d’un coup de projecteur sur un monde en ébullition autour d’une théorie presque centenaire, la mécanique quantique. Elle est la meilleure, avec la relativité générale, pour décrire la nature qui nous entoure, qu’il s’agisse du bleu du ciel, de la vie des étoiles ou de la solidité d’une table. Son exploitation technologique a fourni les lasers, les ampoules LED, les mémoires et processeurs informatiques des téléphones et ordinateurs… Mais, depuis ses débuts, elle charrie aussi tout un tas de questions, bizarreries ou paradoxes qui enflamment les physiciens tout autant que les philosophes.

Elle autorise un objet à être dans deux états contradictoires à la fois, comme si un chat pouvait être et mort et vivant. Ses créatures sont des Janus mi-onde mi-particule, qui peuvent passer par deux endroits simultanément. Elle permet des interactions instantanées à des distances infinies… Tels sont les premiers concepts au maniement déjà risqué. Désormais, il y a pire. Ces dernières années, les physiciens ont découvert de nouveaux paradoxes.

Les faits sont relatifs et dépendent de leurs observateurs. Respirez.

Les choses comptent moins que les relations entre ces choses. Méditez.

Les effets peuvent précéder les causes, et il n’est parfois pas possible de distinguer quel événement est arrivé avant l’autre. Relisez.

Comme au pays merveilleux d’Alice, le sourire d’un chat peut demeurer, alors que le chat n’est plus là… Imaginez.

Nouvelles perspectives

Tout ça, forcément, est déconcertant. « On marche sur des œufs lorsque nous utilisons de telles expressions. Elles risquent d’être récupérées par des absurdités du genre médecine quantique, télépathie, paranormal… », prévient Carlo Rovelli, professeur de physique à Aix-Marseille Université, par ailleurs attaché à l’Institut Périmètre pour la recherche théorique, à Waterloo, au Canada, et à l’université occidentale du Canada pour la philosophie. Il consacre un chapitre de son dernier livre, Helgoland (Flammarion, 272 pages, 21,90 euros), aux relations entre les dernières découvertes de la mécanique quantique et leur effet possible sur la société. « Oui, il reste de grandes questions en biologie, comme la mémoire, la conscience, le cerveau… mais je ne pense pas que la réponse sera quantique. En revanche ces découvertes apportent de nouvelles idées et perspectives », complète-t-il.

En effet, ces paradoxes et « jeux de mots », auxquels ces physiciens se livrent volontiers, servent des motivations précises et ambitieuses. « L’intérêt de jouer avec le formalisme quantique est qu’il peut conduire à des innovations technologiques, comme cela a été le cas par le passé », apprécie Cyril Branciard, de l’Institut Néel. Il pense à ce qu’il est convenu d’appeler la deuxième révolution quantique, qui promet des communications plus sûres, des calculs plus efficaces ou des capteurs d’images, de position, d’IRM, etc., plus précis.

Les physiciens travaillent non pas avec des chats… Mais avec des particules dont les plus utilisées sont les grains de lumière ou photons

Tout ça parce que des physiciens et des mathématiciens, dans les années 1930 à 1960, ont « joué » avec les équations. « Les nouvelles manières de poser les questions excitent beaucoup les chercheurs en ce moment, car elles pourraient déboucher sur des avancées majeures vers l’unification entre les deux théories de description de la nature que sont la relativité générale et la mécanique quantique », estime également Alexei Grinbaum, physicien et philosophe au Commissariat à l’énergie atomique et à l’énergie (CEA), coorganisateur de la dernière Conférence européenne sur les fondements de la physique, qui s’est tenue à Paris du 28 au 30 octobre.

Avant d’embarquer vers ces nouveaux paradoxes, munissons-nous d’un « passe » quantique au QR code rempli de quelques principes utiles. S’il est dans la suite beaucoup question de chat, les physiciens travaillent en réalité avec des particules dont les plus utilisées sont les grains de lumière ou photons. Ils ne meurent pas ni ne sourient, mais portent une propriété appelée polarisation, qui décrit l’orientation du champ électrique de l’onde qu’ils véhiculent. La mécanique quantique autorise des constructions de deux genres, superposées ou intriquées. La première est « floue », adoptant à la fois une polarisation et son opposé. La probabilité qu’elle soit découverte dans un état ou dans l’autre dépend d’un objet mathématique appelé fonction d’onde. La seconde construction est une paire de photons invisiblement reliés qui fait que toute mesure sur l’un précipite l’autre dans une polarisation parfaitement connue. Départ pour un voyage au pays des merveilles quantiques.

Le sourire d’un chat… sans le chat

Impossible de parler mécanique quantique sans parler de chat. Le plus célèbre est celui dit de Schrödinger, du nom du physicien qui a posé l’équation centrale de la théorie quantique en 1926, et dont une conséquence est d’autoriser la création de chimère étrange, comme un chat théorique pouvant être à la fois vivant et mort.

Plus récemment, des physiciens ont ressuscité un autre matou, décrit par Lewis Carroll dans Alice au pays des merveilles, le chat du Cheshire, croisé par l’héroïne lancée aux trousses du lapin blanc. Sur sa branche, le félin très souriant disparaît peu à peu, ne laissant pendant plusieurs instants que son rictus. « Comme le dit Alice, on voit souvent des chats sans sourire, mais jamais des sourires sans chat », a rappelé Eliahu Cohen, physicien de l’université Bar-Ilan (Israël), en introduction de son exposé à la Conférence européenne sur les fondements de la physique. Sauf au pays des merveilles quantiques, comme il l’a ensuite montré.

La proposition théorique date de 2013 et émane de son directeur de thèse, Yakir Aharonov (université de Tel-Aviv), et des collègues de ce dernier des universités de Bristol et Cambridge. Quelques mois plus tard, une tout autre équipe internationale créait le premier chat du Cheshire quantique à base de polarisation (le sourire) et de neutrons (le chat) : l’observateur confirme qu’il y a un chat dans un coin du laboratoire, et dans un autre coin un sourire, mais sans le chat.

A Paris, Eliahu Cohen a présenté une variante, publiée en août dans Nature Communications, encore plus troublante : la possibilité de communiquer sans message. « Au premier regard, l’idée n’est pourtant pas si étonnante. Quand on allume un phare lorsqu’il y a un incendie, on sait bien que si le phare est éteint, c’est qu’il n’y a pas de feu. On a donc une information, sans qu’aucun message n’ait été transmis », précise le chercheur après son exposé. Evidemment, envoyer un message « négatif » est moins intéressant qu’émettre un message « positif » et c’est ce que les chercheurs ont donc réussi. Dans une cavité divisée en deux par un miroir semi-transparent, ils parviennent à détecter un flux de polarisation d’un côté sans qu’un photon n’y soit. Il suffit de modifier les propriétés du miroir séparant les deux régions pour modifier la polarisation, donc le message.

« Je grogne quand je suis content et remue la queue quand je suis en colère », assure le Chat du Cheshire de Lewis Carroll. Et dans tous les cas, il sourit. MARY EVANS PICTURE LIBRARY / PHOTONONSTOP

Le secret est un savoir-faire développé par ces spécialistes depuis vingt ans, qui consiste en somme à savoir caresser les chats, sans les déranger, c’est-à-dire effectuer des mesures peu perturbantes sur les systèmes. Une telle maîtrise avait ainsi conduit à détecter, grâce aux photons une « bombe » sensible aux photons, mais sans la faire exploser. « Le corps du chat et son sourire sont séparés peu à peu, et nous suivons pas à pas cette transformation », résume Eliahu Cohen, qui exploite cet effet pour un protocole de communication discret, sans messager.

Le système améliore celui réalisé par une équipe chinoise qui, en 2017, avait aussi communiqué de cette façon étrange, mais qui a le défaut, selon Eliahu Cohen, de laisser néanmoins des « traces » du messager. Son équipe a proposé une solution sans trace en juillet 2021, mais personne ne l’a encore mise en œuvre.

Les effets précèdent les causes

A la question « qui de l’œuf ou de la poule est apparu en premier ? », les physiciens quantiques répondent clairement : ni l’un ni l’autre, mais les deux à la fois. De même qu’il est possible de créer un objet dans une superposition de deux états contraires, il est possible de créer un état superposé d’un « avant » et d’un « après ». Impossible en revanche de distinguer dans l’histoire si la poule a précédé l’œuf, ou l’œuf la poule, ou de savoir si un chat a souri parce qu’il a eu des croquettes, ou s’il sourit pour avoir des croquettes. Au passage, on perd même l’idée qu’une cause précède un effet…

Encore un résultat troublant. Et pourtant observé expérimentalement ! En 2017, une équipe de l’université de Vienne construit une machine – dite interrupteur quantique (quantum switch) – à mélanger l’œuf et la poule, ou le sourire du chat et ses croquettes, et confirme qu’il n’est pas possible de distinguer les deux histoires : le chat sourit, car il a bien mangé, et le chat sourit pour avoir sa ration. L’ordre temporel est perdu, indéterminé.

Certes la communauté débat encore sur l’interprétation de cette expérience, certains doutant qu’elle montre exactement ce que ses défenseurs prétendent. Néanmoins, tous gardent en tête des expériences encore plus énigmatiques où l’ordre causal serait indéterminé, mais où l’observateur ne saurait même pas ce qu’il s’est passé dans la séquence. « Dans un quantum switch, on sait qui fait quoi dans la séquence. Mais on peut imaginer une situation où les deux opérateurs seraient libres de faire ce qu’ils veulent », résume Cyril Branciard, de l’Institut Néel.

En 2012 puis 2016, Caslav Brukner de l’université de Vienne et divers collègues, dont Cyril Branciard, postulent que de telles situations sont permises par la mécanique quantique et ouvrent de nouvelles perspectives. Par analogie avec les états intriqués, ces physiciens parlent d’états causalement intriqués et ont même calculé un seuil pour distinguer expérimentalement si un phénomène est causalement indéfini ou non. L’approche ressemble à celle suivie en 1964 par John Bell qui avait aussi déterminé un seuil permettant de qualifier un phénomène classique ou quantique et qui a permis de nombreuses applications utilisant ces états dits intriqués pour la communication ou le calcul. « Les quantum switches ne dépassent pas ce seuil, et pour l’instant on n’arrive pas à trouver des expériences qui y arriveraient », rappelle Cyril Branciard.

Un petit-fils pourrait voyager dans le temps et tuer son grand-père sans tout chambouler

Certains rêvent d’y parvenir et de rejouer la même histoire qu’avec John Bell. D’ailleurs, l’idée de « jouer » avec la causalité est venue de deux communautés très motivées. La première est celle de l’information quantique qui s’est demandé s’il ne serait pas plus efficace dans des calculs quantiques de s’affranchir de la notion d’ordre. Et dès 2013, ils ont démontré, en théorie, que des opérations avec interrupteur quantique peuvent être plus rapides que celles menées sans. D’autres envisagent aussi des protocoles de communication plus efficaces.

L’autre communauté motivée est celle de la gravitation quantique, qui essaie d’unifier les deux grandes théories de description de la nature : la relativité générale d’Einstein, qui décrit l’espace-temps et la gravitation, et la mécanique quantique. Au milieu des années 2000, le mathématicien Lucien Hardy a en quelque sorte renversé la table en explorant l’étrange idée de rendre relatif le temps en mécanique quantique, comme il l’est dans la relativité générale. « L’espoir avec ces réflexions autour des causalités indéfinies est de progresser dans la direction d’une théorie de gravitation quantique », souligne Laurie Letertre, philosophe et physicienne à l’Institut Néel, qui a exposé ses travaux à la Conférence européenne sur les fondements de la physique le 29 octobre. Son collègue Hippolyte Lazourenko-Dourdent y a, lui, présenté un jeu intellectuel original qui confirme que ces états violant la causalité ne sont pas sujets aux paradoxes temporels dits du grand-père, présents en relativité générale. Un petit-fils pourrait voyager dans le temps et tuer son grand-père sans tout chambouler. « Il peut exister des boucles temporelles sans paradoxe logique », tranche-t-il. Le futur peut influencer le passé tranquillement…

Les faits sont relatifs

Presque aussi célèbre que le chat de Schrödinger dans la panoplie des expériences de pensée, il y a l’amie d’Eugene Wigner, nobélisé en 1963. Deux ans plus tôt, ce physicien avait décrit un scénario paradoxal posant la question fondamentale de la place de l’observateur dans la théorie quantique. Il imagine qu’une de ses amies est en train de faire une expérience dans son laboratoire. Par exemple, elle cherche à savoir si un chat sourit ou s’il est bougon. Pour elle, mécanique quantique oblige, avant la capture du chat, il y a une superposition chat souriant/chat bougon. Dès la capture, la réponse est univoque : soit le félin sourit, soit il ne sourit pas. En revanche, la situation est différente pour Wigner lui-même, resté à l’extérieur du laboratoire. Pour lui, avant que la porte du labo ne s’ouvre, la mécanique quantique décrit une superposition entre son amie avec un chat souriant et son amie avec un chat grognon. Il peut même faire une expérience confirmant qu’il s’agit bien d’une superposition.

Quelque chose cloche donc : deux personnes ont une vision différente d’une même réalité. Il n’y a pas de faits absolus ! Evidemment, cette subjectivité étonne. Wigner se sortait de ce paradoxe en arguant que son observateur ne pouvait pas voir la superposition, car sa conscience a la capacité de la détruire. Mais cela est loin de satisfaire tout le monde, car, comme d’autres paradoxes, cela introduit l’idée d’une particularité liée à un observateur.

En 2018, deux groupes indépendants, à Vienne et à Zürich, ont proposé une expérience pour tester pour la première fois le scénario de Wigner. Et en 2019 et 2020, deux équipes, en Ecosse et en Australie, l’ont réalisée. La « solution » de Wigner, faisant appel à la conscience de l’observateur, est évacuée, car les observateurs ne sont pas humains mais de simples photons, plutôt décérébrés. Mais la réponse est que, en effet, on tombe sur un os. Oui, il est bien possible de faire coexister deux réalités alternatives…

« Les faits sont relatifs », titre même Caslav Brukner, auteur d’un des articles de 2018 à l’université de Vienne, pour présenter le résultat de 2020 dans Nature Physics. « Cela a le mérite de reformuler les différentes manières d’interpréter ces paradoxes quantiques », reconnaît Hippolyte Lazourenko-Dourdent, à l’Institut Néel. Dans leur article de 2018, Daniela Frauchiger et Renato Renner ont résumé ainsi comment dix interprétations courantes se sortaient du paradoxe. Neuf vont dans le sens de la relativité des faits.

Certains physiciens relèvent que les expériences avec des photons ne correspondent pas exactement au scénario de Wigner qui « superpose » de vrais observateurs, ce qui n’est pas une chose facile ! L’équipe australienne espère donc mettre tout le monde d’accord en réalisant une nouvelle expérience avec des détecteurs quantiques de plus grande taille. Le débat continue.

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