Quantique… A la seule évocation de ce nom, je vois déjà des visages se figer et des yeux emplis de terreur à la recherche de la petite croix pour fermer cet onglet… Pourtant, le monde quantique (qui régit l’infiniment petit) recèle des phénomènes tout à fait extraordinaires qui défient profondément la perception intuitive que l’on a du monde qui nous entoure. Si vous voulez réussir dans la vie, il faut passer par la physique quantique.
Mais tout d’abord il faut que je vous parle de mon problème avec l’univers. Ce problème me dérange à tel point qu’il en devient une l’obsession : JE HAIS LA VITESSE DE LA LUMIÈRE. Je la hais d’une façon viscérale, cette célérité de 300 000 kilomètres par seconde dans le vide, parce qu’elle brise (presque) toute possibilité d’explorer l’univers à la manière d’un capitaine Kirk ou d’un Han Solo. Pourquoi ? Tout simplement parce que la vitesse de la lumière est beaucoup trop lente.
Un souci qui ne se manifeste pas à notre échelle, mais plutôt aux échelles astronomiques… Comme l’écrivait le génial Douglas Adams :
L’espace… est immense. Vraiment immense. On n’a franchement pas idée de sa stupéfiante et considérablement gigantesque immensité. Je veux dire qu’on peut croire qu’en gros, ça fait loin comme d’ici au bistrot du coin mais en fait c’est de la gnognote comparé aux dimensions de l’espace.
Et les premiers concernés par les dimensions de l’espace, ce sont les astronautes. C’est un réel problème quand on considère les distances mises en jeu dans les missions d’exploration planétaire. Imaginez qu’un intrépide explorateur martien décide d’envoyer un message à la vitesse de la lumière à une station-relais terrestre. Celui-ci mettra entre 3 et 22 minutes pour traverser le vide interplanétaire, selon la position de Mars par rapport à la Terre ! Pas très pratique dans les situations d’urgence. Et ne parlons même pas de communication interstellaire avec d’hypothétiques extraterrestres…
Depuis, je cherche inlassablement une manière de contourner cette limite de vitesse. Et un beau jour je suis tombé par hasard sur ce phénomène tout à fait étrange qui a captivé mon attention pendant un sacré bout de temps, et qui se trouve être l’un des phénomènes les plus hallucinants du monde subatomique, j’ai nommé… l’intrication quantique.
Accrochez vous, parce que ça va devenir un brin… délicat.
La physique quantique pour les Nuls
“Quiconque n’est pas choqué par la mécanique quantique ne la comprend pas” –Niels Bohr
Tout d’abord, si vos connaissances en mécanique quantique se limitent à la saison 4 de Code Quantum, pas de panique ! Il serait bon de commencer par certaines notions clé que je me permets de rappeler ici…
Dans le monde de tous les jours, les choses sont relativement simples. On peut décrire toutes les propriétés et l’évolution d’un système (par exemple une voiture, ou bien Justin Bieber, ou bien les deux) à l’aide de plusieurs grandeurs physiques, essentiellement sa position et sa vitesse. A notre échelle, le monde est dit déterministe : Si on connaît la position et la vitesse d’un point à un certain instant, on pourra deviner son état à l’instant d’après. Jusque là tout va bien, vous concevez.
Mais dans le monde quantique, les choses deviennent beaucoup plus compliquées. Les objets sont à la fois des ondes et des particules, selon qu’on les observe ou non, on ne peut pas mesurer avec précision à la fois la vitesse et la position… Bref, c’est le bordel. Pire, les lois de la physique quantique sont NON déterministes, dans le sens où elle ne peut prédire avec certitude le résultat d’une mesure ! Du coup on ne peut les penser qu’à l’aide de probabilités : si je reprends mon exemple du système Bieber-Voiture, mais quantique cette fois, je saurai que la voiture percutera très probablement le roucouleur pré-pubère, mais qu’elle aura aussi une probabilité extrêmement faible (mais non nulle !) de se téléporter loin de lui ! Et la seule manière de vérifier, c’est de regarder ce qui va se passer…
A partir de là, décrire l’état quantique d’un système revient à déterminer les probabilités d’avoir tel résultat lorsqu’on va effectuer une mesure sur ce système (dans un domaine de résultats possibles).
Si vous ne comprenez pas, c’est normal. Les lois de la nature sont loin d’être intuitives…
Autre remarque fondamentale: en mécanique quantique, la mesure affecte le système ! Réfléchissez-y un moment. Pour connaître l’état d’une particule, il faut balancer de la lumière dessus. Sinon, c’est comme essayer de lire un bouquin dans le noir. Comme la lumière est composée de petits grains d’énergie appelés photons, ces grains, en cognant la particule, vont forcément agir sur le système et le forcer à prendre un état particulier alors qu’il était parfaitement indéterminé avant ! Le terme technique à ce phénomène, c’est la réduction du paquet d’onde. Troublant mais vérifié.
Dernier point, les particules subatomiques, comme les électrons ou les photons possèdent 3 propriétés fondamentales : leur masse, leur charge et leur spin. Cette dernière est un peu particulière, parce qu’elle n’a tout simplement pas d’équivalent à notre échelle. Vous pouvez toujours vous imaginer le spin comme le « sens de rotation » d’une particule, mais ça ne sera jamais vraiment ça. Oui je vais vous laisser sur votre faim, parce que je ne veux pas (et vous non plus) me perdre dans les maths. Retenez juste que pour un électron, le spin ne peut prendre que deux valeurs possibles, qu’on appelle « up » et « down ».
Félicitations ! Vous venez d’acquérir les outils pour comprendre (au moins en partie) l’intrication quantique!
Une histoire à l’eau de Rosen
« Deux cœurs qui ont interagi dans le passé ne peuvent plus être considérés de la même manière que s’ils ne s’étaient jamais rencontrés. Marqués à jamais par leur rencontre, ils forment un tout inséparable. » – Etienne Klein
Prenons deux électrons. (En fait peu importe ce qu’on prend; l’effet marche tout aussi bien avec des photons, des atomes ou des molécules. J’ai pris des électrons parce que maintenant vous connaissez leur spin) Tous deux sont célibataires, vaquant tranquillement à leurs activités… d’électrons. Puis un beau jour, un physicien décide de réunir les conditions pour que ceux ci se rencontrent. Qu’à cela ne tienne, nos deux compères s’en donnent à cœur joie et se mettent à interagir physiquement ! Enfin, comme toute histoire d’amour qui se respecte, nos deux amants sont séparés brutalement. Ce drame subatomique que vous venez de créer, on l’appelle intrication quantique. Et c’est là que la magie opère. Tenez vous bien… (Tenez vous mieux) A présent, l’état quantique d’un électron n’est complètement déterminé QU’EN considérant l’autre électron. En d’autres termes, ils partagent le même état quantique, et cela QUELQUE SOIT LA DISTANCE ENTRE EUX ! En d’autres termes, la mesure du premier électron modifie INSTANTANÉMENT l’état de l’autre, même si ce dernier est à l’autre bout de l’univers ! En d’autres termes…
Et là, si j’ai bien calculé mon coup, vous commencez à vous dire, ”Attends, mais imagine que tu extrapoles ce concept, je sais pas encore trop comment, ça pourrait faire un moyen absolument génial de communication ! Vite Eugène, au bureau des brevets !”
Si vous avez effectivement pensé à ça, bravo ! Vous avez réinventé l’Ansible !
L’An… Quoi ?
Ansible. C’est le nom donné à ce concept hypothétique de communication supraluminique. L’idée n’est pas nouvelle : on la doit en premier à Ursula Le Guin, dans son roman Le Monde de Rocannon en 1966. L’idée a depuis été reprise dans de nombreuses œuvres cultes de la SF, notamment dans la trilogie Ender d’Orson Scott Card ou encore dans le cycle d’Hypérion, de Dan Simmons.
A ce que j’en sais, la référence la plus récente à une ansible remonte au jeu vidéo Mass Effect 2, qui fait d’ailleurs un job assez sympa dans la description de l’appareil ! Je vous laisse juger par vous même…
Ça semble plutôt plausible non ? Sauf qu’il y a visiblement quelque chose qui vous dérange… Rassurez vous, vous n’êtes pas les seuls. L’intrication quantique a dérangé pas mal de gens avant vous, à commencer par un célèbre physicien moustachu à qui l’on doit beaucoup…
Le paradoxe EPR
“Dieu ne joue pas aux dés avec l’univers” – Albert Einstein
Einstein est surtout connu pour ses théories de la relativité (restreinte et générale). Grâce à elles, nous avons une description cohérente des lois de l’univers qui nous entoure. Nous allons ici nous restreindre à la relativité… Restreinte (huhu). Celle-ci nous apprend que la vitesse de la lumière dans le vide (300 000 km/s) est THE limite de vitesse universelle. Il est absolument impossible de la dépasser, ni même de l’atteindre si vous avez la mauvaise idée d’avoir une masse. L’idée étant que pour accélérer une masse il faut fournir de l’énergie, et que si l’on voulait atteindre la vitesse de la lumière il faudrait fournir à cette masse une énergie infinie. L’échange d’information instantanée semble donc plus que compromise…
Vous comprenez alors à quel point l’intrication quantique chiffonne notre bon Albert. En fait, ça le chiffonne tellement qu’il pense y avoir trouvé la preuve que la mécanique quantique est incomplète ! En 1936, il va donc mettre au point, avec deux collègues, Boris Podolsky et Nathan Rosen, une expérience de pensée qui jettera un froid pendant quelques temps sur les bases de la quantique : le paradoxe EPR (EPR pour Einstein-Podolsky-Rosen).
Son principe (simplifié) est le suivant : prenez 2 particules (par exemple un électron et un positron, son anti-particule, c’est-à-dire de même masse mais de charge opposée) et intriquez-les de telle façon que la somme de leur spin s’annule (up+down=0). Ensuite laissez les s’éloigner très, trèèès loin… Après intrication, on sait que les deux particules sont de spins opposés. Mais attention ! Avant d’observer le système, il est IMPOSSIBLE de savoir dans quel état il sera ! Par contre si on mesure l’état de la première particule, et qu’on tombe sur un spin « up », on saura immédiatement que l’autre particule sera dans l’état de spin « down ». Problème : les deux particules sont super loin, alors comment l’autre particule sait-elle immédiatement que la première est passée dans l’état de spin « up », surtout quand on sait que l’information ne peut pas aller plus vite que la vitesse de la lumière ?
A partir de là, un violent débat éclate entre Einstein, partisan d’un univers déterministe et Niels Bohr, l’un des pères de la physique quantique, qui va durer toute leur vie ! Pour le premier, l’état des deux particules est déterminé avant la mesure et n’est que révélé par la mesure. Pour Bohr par contre, l’état est indéterminé avant la mesure et la mesure du spin du premier entraîne instantanément le changement de spin de l’autre.
Plus Bell la vie
« Une théorie nouvelle ne triomphe jamais. Ce sont ses adversaires qui finissent par mourir. » -Max Planck
Il faudra attendre 1960 pour que le physicien John Bell apporte ce qui est aujourd’hui considéré comme l’une des plus grandes contributions à la mécanique quantique : les inégalités de Bell. Grâce à elles, ce qui a commencé par un débat purement intellectuel a fini par avoir des conséquences bien vérifiables expérimentalement. Et les expériences ont parlé ! La conclusion de tout ceci ? Si la vitesse de la lumière est effectivement une limite indépassable, on doit forcément admettre que deux particules intriquées agissent comme un seul système, ce qui implique sa non-localité. Il n’y a donc pas de relation de cause à effet entre la mesure de la première particule et l’état de la deuxième. Retenez bien cette notion, parce qu’elle est cruciale: LA MÉCANIQUE QUANTIQUE EST NON LOCALE !
Ne paniquez pas
Je sens que je suis en train de vous perdre… Ça mérite quelques éclaircissements. Le principe de localité, en physique, c’est le fait que des objets ne peuvent être influencés QUE dans leur voisinage le plus proche. Si vous vous fichez éperdument du temps qu’il fait sur Vénus, félicitations ! Vous êtes un parfait exemple du principe de localité.
Dans le cas qui nous intéresse, la non-localité de l’action de l’intrication quantique signifie que celle-ci ne décroit pas avec la distance, contrairement à tous les autres phénomènes physiques. Elle semble donc aller plus rapidement que la lumière, mais c’est juste une mauvaise manière d’interpréter les choses.
Si vous avez du mal avec la non-localité, c’est absolument normal. Comme le disait le physicien Roger Penrose, « il y a un conflit entre notre image spatio-temporelle de la réalité physique -même l’image quantique non-locale qui est correcte- et la relativité restreinte. » Et puis surtout, comme la plupart des questions en sciences, ce problème est loin d’être réglé…
Mais alors, pourquoi qu’elle marche pas mon idée d’ansible ?
En apparence, l’idée a l’air bonne : vous intriquez deux particules, vous en donnez une à votre lointain correspondant, vous jouez sur le spin des particules pour envoyer des messages en binaire (up=1 et down=0 par exemple) et TADAAAA ! Vous avez votre communicateur instantané ! En fait non, ça ne marche pas comme ça. Parce qu’avant de mesurer le spin d’une particule, il n’y a littéralement AUCUN moyen de savoir dans quel état il est. Pour un électron, vous aurez 50% de chance de tomber sur un spin « up », et 50% de chance de tomber sur un spin « down », et la même chose pour le correspondant, sinon c’est pas drôle. Et comme en effectuant une mesure sur la première particule, on finit par déranger les deux en même temps (ils forment un système unique, vous vous rappelez ?), il se trouve que finalement c’est pas super pratique pour communiquer…
Et pour remuer le couteau dans la plaie, si on oblige une particule à se mettre dans un état particulier, au bout d’un certain temps notre paire de particules n’est tout simplement plus intriquée, à cause d’un phénomène appelé décohérence. Arf…
Au final, la réalité finit par briser une fois de plus nos rêves de communication supraluminique… Mais il ne faut pas en conclure que l’intrication est inutile ! Au contraire, il se pourrait bien qu’elle soit au cœur de projets avec des noms qui font rêver, comme la téléportation quantique ou l’ordinateur quantique !
Pour en savoir plus:
- L’inévitable article de Wiki: http://fr.wikipedia.org/wiki/Intrication_quantique
- L’article qui a inspiré cet article (en anglais): http://io9.com/5584356/can-i-build-an-ansible-to-communicate-across-the-cosmos
- La page Wiki du paradoxe EPR: http://fr.wikipedia.org/wiki/Paradoxe_EPR
- Un article de Futura sciences qui résume pas mal l’idée du paradooxe EPR: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/paradoxe-epr-des-signaux-plus-rapides-que-la-lumiere_16428/
- Pour les gens qui en veulent vraiment et qui sont déjà familiers avec la physique quantique: http://catalogue.polytechnique.fr/site.php?id=87&fileid=476
- Un très bon texte assez accessible sur la non-localité: http://www.asmp.fr/travaux/gpw/philosc/rapport2/3-Bricmont.pdf
- La mécanique quantique pour les non-physiciens: http://www.sps-philoscience.org/fichiers/pdf/2007_bricmont-mq1new.pdf
- Sur la décohérence: http://www.cnrs.fr/Cnrspresse/n34a2.html
Source : le Sense of Wonder