Superposition - La condition préalable
Pour comprendre l’intrication, il faut d’abord la superposition. En mécanique quantique, une particule peut exister simultanément dans une superposition de plusieurs états — non pas parce que nous ne savons pas dans quel état elle se trouve, mais parce qu'elle se trouve réellement dans tous les états à la fois. L'état est décrit par une fonction d'onde ψ, qui attribue des amplitudes (et donc des probabilités) à tous les résultats possibles.
Lorsque vous mesurez une particule en superposition, la fonction d'onde s'effondre à une seule valeur définie. Avant la mesure : tous les états coexistent. Après mesure : un état est réalisé. Ce n'est pas une métaphore, c'est la prédiction quantitative de la mécanique quantique qui a été testée avec une précision extraordinaire (accord avec l'expérience dépassant 10 chiffres significatifs).
Qu'est-ce que l'enchevêtrement
L'intrication quantique se produit lorsque deux ou plusieurs particules sont produites ou interagissent de telle manière que leurs états quantiques ne peuvent pas être décrits indépendamment les uns des autres, quelle que soit leur distance.
Mathématiquement, un système à deux particules peut avoir des états tels que :
Ceci est un État de la cloche — l'un des états les plus simples à intrication maximale. En le lisant : le système est dans une superposition de "la particule A est en rotation et B est en rotation" ET "A est en rotation et B est en rotation". Aucune des deux particules n’a de spin défini en soi. Le système dans son ensemble est dans un état défini ; ses parties ne le sont pas.
Lorsque vous mesurez la particule A et détectez une rotation ascendante, l'état de la particule B s'effondre instantanément en rotation descendante, quelle que soit la séparation spatiale entre A et B. Cette corrélation est parfait et statistique : un certain nombre de mesures le confirment.
Imaginez créer une paire de gants et en expédier un à Londres et un à Tokyo sans les regarder. Lorsque vous ouvrez la boîte de Tokyo et trouvez un gant gauche, vous savez instantanément que Londres a le bon. Ce semble comme l'enchevêtrement, mais ce n'est pas le cas : les gants ont toujours eu des propriétés définies. L'intrication implique des particules qui ont véritablement no rotation définitive avant la mesure. Le théorème de Bell (ci-dessous) prouve expérimentalement cette distinction.
Le paradoxe EPR d'Einstein (1935)
Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen ont publié leur célèbre article EPR en 1935, affirmant que la mécanique quantique était incomplet. Leur argument, désormais appelé le paradoxe EPR :
- Si la mesure de la particule A détermine instantanément l'état de la particule B (plus vite que la lumière ne peut se déplacer entre elles), alors B doit avoir toujours eu un état défini - nous ne le savions tout simplement pas.
- Ces valeurs définies préexistantes sont des « variables cachées » non décrites par la mécanique quantique.
- La mécanique quantique constitue donc une description incomplète de la réalité.
Einstein ne prétendait pas que la mécanique quantique était fausse – il reconnaissait que ses prédictions étaient correctes. Il prétendait que c'était incomplet: il doit y avoir une théorie déterministe plus profonde avec des variables cachées qui expliquent les corrélations sans nécessiter une action instantanée à distance (« action effrayante à distance » — son expression).
Pendant 29 ans, l'argument de l'EPR a été un débat purement philosophique, car personne ne savait comment faire la distinction expérimentale entre les « variables cachées » et le véritable intrication quantique.
Théorème de Bell et expérience décisive
En 1964, le physicien John Stewart Bell a publié un théorème mathématique qui a tout changé. Bell a montré que tout théorie des variables cachées locales doit satisfaire un ensemble d’inégalités statistiques – désormais appelées Inégalités de Bell. Fondamentalement, la mécanique quantique prédit des violations de ces inégalités jusqu'à un facteur √2 (le Tsirelson à destination).
L'inégalité CHSH (une forme de l'inégalité de Bell) s'énonce :
où E(a,b) sont les coefficients de corrélation mesurés aux angles a et b. La mécanique quantique prédit |S| ≤ 2√2 ≈ 2,828. Les variables locales cachées prédisent |S| ≤ 2. La valeur expérimentale est systématiquement d'environ 2,7 — violant l'inégalité de Bell et excluant les variables locales cachées.
Le premier test Bell sérieux a été réalisé par John Clauser en 1972. Des expériences ultérieures (Stuart Freedman et Clauser, puis surtout l'expérience d'Alain Aspect en 1982 avec des polariseurs à commutation rapide) ont progressivement comblé les failles jusqu'à arriver à des tests Bell « sans faille » en 2015 par Hensen et al., Giustina et al., et Shalm et al., publiés simultanément.
Le prix Nobel de physique 2022
Le prix Nobel de physique 2022 a été décerné à Alain Aspect, John Clauser et Anton Zeilinger "pour des expériences avec des photons intriqués, établissant la violation des inégalités de Bell et une science pionnière de l'information quantique."
Ce prix a définitivement validé que : (1) l'intrication quantique est un phénomène physique réel, (2) la nature est pas descriptible par les théories locales des variables cachées, et (3) l'intuition d'Einstein selon laquelle « aucune action effrayante à distance » était incorrecte. L’univers est véritablement non local : des résultats corrélés existent entre des particules distantes sans aucune cause locale préexistante.
Le groupe de Zeilinger à Vienne est allé plus loin en démontrant téléportation quantique (1997) — transmettre l'état quantique complet d'une particule en utilisant l'intrication plus la communication classique — et échange d'enchevêtrement, où les particules qui n’ont jamais interagi directement s’emmêlent.
L'intrication permet-elle une communication plus rapide que la lumière ?
Non. Il s’agit de l’idée fausse la plus répandue à propos de l’enchevêtrement. Voici pourquoi il ne peut pas transmettre d'informations :
- Lorsque vous mesurez votre particule, vous obtenez un aléatoire résultat (50 % de rotation, 50 % de rotation). Vous ne pouvez pas choisir ou contrôler le résultat.
- Votre partenaire situé à distance obtient également un résultat aléatoire. Ils voient une séquence parfaitement aléatoire, impossible à distinguer du bruit.
- Seulement quand tu comparez vos résultats (par téléphone, email — communication classique, limitée à c) découvrez-vous la corrélation parfaite.
- Par conséquent, aucune information n’est transmise par l’effondrement lui-même – le transfert d’informations nécessite une comparaison classique.
Ceci est formalisé comme le théorème de non-communication: les opérations quantiques sur le sous-système d'une partie ne peuvent pas modifier la matrice de densité réduite de l'autre, donc pas de transfert d'informations.
Les corrélations non locales d'intrication ne violent pas la relativité restreinte. Aucune information, énergie ou matière ne se transmet plus rapidement que la lumière. Les corrélations sont une caractéristique globale de l’état quantique, et non un signal.
Applications du monde réel
Cryptographie quantique (QKD)
Les protocoles Quantum Key Distribution comme BB84 et E91 utilisent l'intrication (ou photons uniques) pour distribuer des clés de chiffrement avec une sécurité prouvable. Toute écoute indiscrète perturbe les états quantiques, introduisant des erreurs détectables. Le premier virement bancaire sécurisé par QKD a eu lieu à Vienne en 2004.
Informatique quantique
L'intrication permet aux ordinateurs quantiques de traiter de manière exponentielle plusieurs états simultanément. Un registre de n qubits intriqués peut représenter 2ⁿ états à la fois. Des algorithmes comme celui de Shor (factorisation) et celui de Grover (recherche) exploitent cela respectivement pour des accélérations exponentielles et quadratiques par rapport aux algorithmes classiques.
Téléportation quantique
Transmettre un état quantique complet d'un endroit à un autre à l'aide d'une paire intriquée partagée plus deux bits classiques. Cela n'a pas d'importance en matière de téléportation, seulement des informations quantiques. Démonstration sur 1 400 km par satellite en 2017 par le groupe de Pan Jian-Wei (satellite Micius).
Métrologie quantique
Les états intriqués peuvent mesurer des quantités physiques (temps, champs gravitationnels) avec une précision inférieure à la « limite quantique standard », permettant ainsi des horloges atomiques et des détecteurs d'ondes gravitationnelles de nouvelle génération.
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Foire aux questions
Qu’est-ce que l’intrication quantique en termes simples ?
Deux particules sont intriquées quantiquement lorsqu'elles partagent un état quantique combiné : la mesure de l'une détermine instantanément le résultat corrélé de l'autre, quelle que soit leur distance. Aucune des deux particules n’a d’état défini avant la mesure.
À quelle distance les particules intriquées peuvent-elles être ?
L'intrication quantique n'a pas de limite de distance connue. L'intrication a été démontrée sur 1 400 km via le satellite Micius (2017). Les corrélations restent parfaites quelle que soit la séparation, sans affaiblissement détectable avec la distance.
Is quantum entanglement used in quantum computers?
Oui. L’intrication entre les qubits est l’une des ressources clés qui confèrent leur puissance aux ordinateurs quantiques. Sans intrication, un ordinateur quantique ne surpasserait pas un ordinateur classique : il modéliserait simplement les probabilités classiques.
L'intrication viole-t-elle la vitesse de la lumière ?
Non. Les corrélations apparaissent instantanément, mais aucune information n’est transmise. Le théorème de non-communication prouve qu’on ne peut pas utiliser l’intrication pour envoyer un message plus vite que la lumière.