Le chat de Cheshire
Etats simultanés
Nouvelles propriétés quantiques
Hypothèse de la post-sélection
Le pigeon de Cheshire
Les références
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©Alice au pays des Merveilles

La petite histoire  Up Page
Etats simultanés
Selon la théorie quantique, constamment vérifiée expérimentalement, une particule individuelle, par exemple un neutron, dispose d'une superposition d'état. Ainsi, en ce qui concerne le spin (moment angulaire intrinsèque, ou sens de rotation de cette particule) d'une telle particule, celui-ci peut à la fois prendre une valeur de 1 ou un valeur de 1/2. Ou bien une valeur une valeur de +1 et une valeur de -1, mais non les deux valeurs simultanément.
Effectivement, le phénomène ne peut être observé (mesuré) expérimentalement, à partir d'un neutron individuel, car un appareil de laboratoire ne peut faire apparaître qu'un seul aspect au détriment de tous les autres. Ce type de mesure, s'appliquant à une particule individuelle, est dite mesure forte (strong measurement).

Ceci dit, dans une publication datée de 1988, le physicien israélien Yakir Aharonov avait montré qu'une forme de mesure différente ne détruisait pas l'état quantique de superposition de la particule. Mais il fallait que cette mesure interagisse très faiblement avec la particule. Ce type de mesure a été nommée mesure faible, "weak measurement". L'inconvénient du procédé est que les résultats de la mesure étaient affectés d'une très grande incertitude. En pratique, concernant la particule individuelle, on retrouvait donc le principe d'incertitude de la théorie quantique.

Dans les dernières années, de telles mesures faibles ont pu être faites expérimentalement. Elles ont permis d'étudier des aspects du monde quantique jugés prcédemment inobservables. Notamment comme l'a montré Jeff Lundeen de l'Université d'Ottawa, de mesurer la fonction d'onde décrivant un grand nombre de photons identiques. Si ces photons étaient identiques, il devenait donc possible de mesurer indirectement la fonction d'onde de chacun de ceux-ci, en lui attribuant une valeur précise et non plus probabiliste.

Comprendre simplement  Up Page
Nouvelles propriétés surprenantes des particules quantiques
L'une des applications de ces hypothèses, conduite par une équipe autrichienne à l'Institut Laue Langevin de Grenoble, a paru mettre en évidence une propriété suggérée par la mathématique mais non encore expérimentalement démontrée: le fait que des flux de particules, en l'espèce des neutrons, préparés de façon à ce qu'ils disposent d'un spin identique, puissent après avoir été soumis à des mesures faibles, donner naissance d'un côté à des spins sans neutrons et d'un autre à des neutrons sans spins, autrement dit que les particules pouvaient être, le temps de l'expérience, séparées de leurs propriétés quantiques.
Les théoriciens avaient nommé cette propriété le "chat de Cheshire" par référence au sourire du chat d'Alice au pays des Merveilles, lequel sourire pouvait être observé indépendamment du chat.

A Grenoble, l'équipe a utilisé un interféromètre produisant des champs magnétiques faibles. Il est apparu, au terme d'un expérience que sur l'une des branches de l'interféromètre se trouvaient des spins sans neutrons et sur l'autre des neutrons sans spins, l'ensemble se recombinant à la sortie de l'appareil. Autrement dit, il était confirmé que les spins sans neutrons avaient choisi un chemin et les neutrons sans spins un autre. Le chat avait été séparé de son sourire.

Cette expérience a déjà donné naissance à de nombreuses hypothèses et expériences relatives à ce que pourrait être "en réalité" la "réalité quantique". Certaines suggèrent qu'elles confirment le fait que dans le monde quantique, le temps pourrait s'écouler dans les deux sens, du passé vers le futur et réciproquement. Ainsi un événement futur pourrait être la cause d'un événement passé. Tous les théoriciens n'admettent pas cette conclusion.

Domaines de présence  Up Page
Hypothèse de la post-sélection selon Yakir Aharonov
Aharonov et ses collègues étendent leur approche au problème, sans doute infiniment plus complexe et en tous cas contre-intuitif, qui peut intriquer l'état de deux particules, chaque fois que leurs propriétés quantiques sont mesurées, et ceci où qu'elles se trouvent dans l'univers. Le terme de post-sélection signifie que les propriétés d'un système à un temps t peuvent être influencées par des mesures faites dans le futur, à un temps t+1.

Qu'est-ce que la post-sélection ? Il s'agit d'un dispositif inspiré de l'interféromètre mentionné en début de cet article. Si l'on envoie trois électrons simultanément dans l'interféromètre, celui-ci sépare chaque électron en deux, selon deux voies suivies en parallèle, puis il les réunit à nouveau. Si alors on mesure l'état des électrons à leur sortie de l'interféromètre, en les sélectionnant dans un état différent de celui qu'ils avaient en entrant dans la machine, l'on crée un lien quantique, autrement dit une intrication, entre ces électrons. Autrement dit, la post-sélection influence les états passés de ces électrons.

Pour le montrer, il faut préciser comment les électrons se comportent dans le système. La superposition d'état, autre propriété des particules quantiques, signifie que chaque électron peut se retrouver à l'identique dans les deux chemins simultanément. Si deux électrons partagent le même chemin, leurs charges électriques identiques les repoussent, ce qui infléchit leur trajectoire, même légèrement. Cette inflexion est détectée à la sortie de l'interféromètre. Du fait de la superposition, rien ne permettrait d'affirmer que tel électron se trouve dans telle branche ou dans l'autre. Mais si l'on mesure (post-sélection) les chemins de l'une ou l'autre des deux paires d'électrons, aucune déflexion n'est détectable. Un lien existe donc entre les électrons. Chacun d'eux connaît l'emplacement de l'autre et l'évite.

Son interprétation dans l'avenir  Up Page
Le pigeon de Cheshire
D'où l'image des pigeons, ou du pigeonnier quantique. L'on peut avoir trois pigeons dans deux pigeonniers, et pourtant aucun pigeonnier ne comportera deux pigeons. Ceci d'ailleurs quelque soit le nombre des pigeons. Même avec un millier de pigeons, il n'y en aura toujours qu'un dans chacun des deux pigeonniers. Cet effet constitue la façon la plus simple de tester l'idée que des particules non corrélées peuvent se trouver intriquées simplement parce qu'elles ont fait l'objet d'une post-sélection.

Les physiciens, cosmologues et philosophes ne manqueront pas d'y réfléchir. Cette nouvelle propriété de l'intrication entre particules pourrait expliquer pourquoi l'univers fonctionne comme un immense ordinateur quantique, selon l'hypothèse de Seth Loyd.

Les références  Up Page
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Automates Intelligents n°120 - juillet/août 2014
 
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