INTRICATION QUANTIQUE

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Presque cent ans après sa naissance, la physique quantique s'est révélée indispensable à la description des atomes et des interactions fondamentales. Pratiquement inintelligible sans le recours à une formulation mathématique difficile d'accès, les tentatives de vulgarisation de ses concepts ont toujours dérouté l'intelligence concrète tant le vocabulaire adéquat semble manquer. Longtemps cantonnée au monde microscopique des noyaux atomiques et des particules élémentaires, elle s'est, ces dernières années, développée dans le monde de l'optique et dans celui de la physique des solides, où les échelles des phénomènes observés sont loin d'être infinitésimales. Les manifestations purement quantiques qui apparaissent alors sont, en un sens, encore plus surprenantes que lorsqu'elles concernent des objets finalement invisibles. Le concept d'intrication quantique de deux objets est un exemple central de ces nouveaux acquis de la physique fondamentale qui, s'ils sont encore réservés aux expériences de laboratoire, prétendent élargir leur champ d'application vers des technologies résolument novatrices. En même temps, ces expériences ont été historiquement (et restent aujourd'hui) au cœur des discussions sur l'interprétation de la mécanique quantique.

L'intrication quantique de deux objets se définit comme leur inséparabilité. Leur interdépendance radicale s'exprime par l'impossibilité de décrire chacun d'eux par une fonction d'onde séparée. Une paire d'objets intriqués doit obligatoirement être considérée comme un système unique décrit par un état global qu'on ne peut pas décomposer en deux états distincts. Un tel concept est assez facilement acceptable lorsqu'on étudie par exemple deux électrons en orbite autour d'un noyau atomique d'hélium, car on sait bien qu'on ne peut guère imaginer comment distinguer l'un de l'autre ; il devient en revanche très étonnant lorsqu'il s'applique à deux objets si éloignés l'un de l'autre qu'aucun signal physique (c'est-à-dire se propageant à une vitesse inférieure ou égale à celle de la lumière) ne peut les relier.

Fonction d'onde et principe de superposition

Parler de l'intrication nécessite de clarifier la notion de fonction d'onde et d'introduire ce qu'est la superposition de deux états quantiques. La physique classique décrit un objet en spécifiant sa forme, sa matière, sa localisation, son mouvement quantifié par sa vitesse par exemple, et d'autres quantités du même type. Les forces s'exerçant sur un système modifient sa forme ou sa trajectoire, selon des équations qui décrivent l'évolution dans le temps des positions de ses composants. En physique quantique, un objet – prenons l'exemple d'un électron, mais ce qui suit s'applique à tout système – est décrit par une fonction d'onde qui n'est pas directement accessible à l'expérience. Cette fonction d'onde varie avec le temps et cette variation dépend des forces qui s'exercent sur l'électron lorsqu'il traverse par exemple un champ magnétique ou qu'il s'approche d'un noyau atomique. Son énergie est reliée à l'action sur la fonction d'onde d'un « opérateur », appelé hamiltonien en l'honneur du mathématicien et physicien irlandais William Rowan Hamilton (1805-1865). Dans l'expression de cet opérateur sont codées toutes les forces qui pourraient agir sur l'électron. Les autres quantités caractérisant l'objet, la position de cet électron par exemple, sont aussi reliées à l'action d'un opérateur mathématique. L'originalité de la description quantique est que cette action d'un opérateur ne donne pas, en général, une valeur unique à l'observable, mais au contraire un ensemble de valeurs possibles, chacune assortie d'une amplitude de probabilité. C'est en ce sens que la physique quantique décrit les phénomènes avec un flou probabiliste quant à l'occurrence d'une situation ou d'une autre parmi les possibles, tout en restant prédictive puisqu'elle permet de calculer les probabilités de chacune d'elles.

La possibilité de superposition des fonctions d'onde est un principe fondateur de la physique quantique, et ses conséquences ont été de nombreuses fois vérifiées expérimentalement. Prenons l'exemple d'un photon qui peut être polarisé dans deux directions, que nous appellerons nord et est ; chacun de ces états de polarisation est représenté par une fonction d'onde que nous noterons N et E. Le principe de superposition stipule que toute combinaison linéaire aN +bE décrit aussi un état possible du photon (a et b sont en général deux nombres complexes). Un appareil de mesure qui détecte un tel photon indique que sa polarisation pointe vers le nord avec une certaine probabilité (reliée au carré du module du coefficient a), et qu'elle pointe vers l'est avec la probabilité complémentaire. Après la mesure, la fonction d'onde est « projetée », soit sur sa composante N, soit sur la composante E, si bien qu'une seconde mesure confirme la même orientation de la polarisation. Soulignons que cette théorie de la mesure est fondamentalement différente de celle adoptée dans le cadre classique où on considère que le processus ne perturbe presque pas le système mesuré.

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Intrication quantique de deux photons

Intrication quantique de deux photons
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Téléportation quantique aux Canaries

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  • : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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  • Écrit par 
  • Bernard PIRE
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Le phénomène d'intrication des états quantiques est aujourd'hui un des domaines les plus actifs de la physique où des résultats souvent inattendus paraissent chaque mois. Ainsi, des physiciens autrichiens ont récemment conçu et réalisé une nouvelle technique d'intrication qui met en jeu des photons portant un grand moment orbital angulaire. Les auteurs de cette étude considèrent que l'intricatio […] Lire la suite

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Bernard PIRE, « INTRICATION QUANTIQUE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 27 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/intrication-quantique/