Sciences · Physique
L’intrication quantique
L’intrication quantique lie deux particules ou plus en un seul système : mesurer l’une détermine aussitôt le résultat de l’autre, quelle que soit la distance, sans permettre d’envoyer un message plus vite que la lumière.
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Einstein y voyait une « action fantôme à distance » et la preuve que la mécanique quantique était incomplète. Des expériences menées depuis les années 1970 lui ont donné tort : l’intrication est réelle, et elle est même devenue une ressource technologique pour la cryptographie et les ordinateurs quantiques. Le prix Nobel de physique 2022 a récompensé trois des physiciens qui l’ont démontrée, dont le Français Alain Aspect.
Une image simple… et ses limites
Imaginons deux photons intriqués émis par une même source, de telle sorte que leurs polarisations soient toujours identiques. On les envoie à des kilomètres l’un de l’autre. Tant qu’aucune mesure n’est faite, aucun des deux n’a de polarisation définie. Si l’on mesure le premier et qu’on trouve « vertical », on sait aussitôt que le second, mesuré dans la même direction, donnera « vertical ».
Une analogie classique vient à l’esprit : deux gants d’une paire, l’un mis dans une boîte envoyée à Paris, l’autre à Tokyo. Ouvrir la boîte de Paris et y trouver le gant droit indique immédiatement que Tokyo a le gauche. Mais dans ce cas, chaque gant était droit ou gauche dès le départ. Toute la question de l’intrication est de savoir si les particules possèdent elles aussi des propriétés déterminées avant la mesure. La réponse expérimentale est : non, pas au sens classique.
Le paradoxe EPR (1935)
En 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen publient un article intitulé « La description quantique de la réalité physique peut-elle être considérée comme complète ? ». Leur raisonnement :
- Deux particules intriquées sont séparées.
- En mesurant l’une, on peut prédire avec certitude le résultat d’une mesure sur l’autre, sans la perturber.
- Donc cette propriété de la seconde particule devait exister avant la mesure : c’est un « élément de réalité ».
- Or la mécanique quantique ne décrit pas cette propriété avant la mesure : elle est donc incomplète. Il doit exister des variables cachées.
Niels Bohr répond la même année que l’on ne peut pas parler des propriétés d’un système indépendamment du dispositif de mesure. Pendant trente ans, le débat reste philosophique, faute de moyen de trancher. La même année, Erwin Schrödinger introduit le terme d’intrication et imagine son célèbre chat.
Le théorème de Bell (1964)
En 1964, le physicien nord-irlandais John Stewart Bell transforme la question en un test expérimental. Il démontre que toute théorie à variables cachées locales (où les particules emportent avec elles des propriétés prédéterminées et où aucune influence ne va plus vite que la lumière) impose une limite aux corrélations observables : ce sont les inégalités de Bell. La mécanique quantique, elle, prédit que ces inégalités peuvent être violées pour des particules intriquées.
Il suffit donc de mesurer les corrélations pour savoir qui, d’Einstein ou de la mécanique quantique, a raison.
Les expériences : la mécanique quantique gagne
| Date | Expérience |
|---|---|
| 1972 | John Clauser et Stuart Freedman, à Berkeley, observent une première violation des inégalités de Bell avec des photons |
| 1981-1982 | Alain Aspect et son équipe, à l’Institut d’optique d’Orsay, réalisent des tests beaucoup plus probants, dont un avec changement rapide de l’orientation des polariseurs pendant le vol des photons |
| 1997-1998 | l’équipe d’Anton Zeilinger et d’autres réalisent des tests sur des distances de plusieurs kilomètres et la téléportation quantique |
| 2015 | plusieurs équipes (Delft, Vienne, Boulder) réalisent des tests « sans échappatoire », fermant simultanément les principales failles expérimentales |
| 2017 | le satellite chinois Micius distribue des photons intriqués entre des stations au sol distantes de plus de 1 200 km |
| 2022 | prix Nobel de physique à Alain Aspect, John Clauser et Anton Zeilinger |
Toutes ces expériences violent les inégalités de Bell, en accord avec la mécanique quantique. Les théories à variables cachées locales sont exclues : la nature est fondamentalement non locale au sens de Bell, ou bien les propriétés mesurées n’existent pas avant la mesure.
L’intrication permet-elle de communiquer plus vite que la lumière ?
Non. C’est le point le plus important et le plus mal compris. Quand on mesure sa particule, on obtient un résultat aléatoire : on ne choisit pas ce résultat. La personne qui mesure l’autre particule obtient elle aussi une suite de résultats aléatoires, en apparence sans structure. La corrélation n’apparaît qu’en comparant les deux listes de résultats, ce qui exige un échange d’informations par un canal ordinaire, limité par la vitesse de la lumière. Ce résultat, le théorème de non-communication, garantit la compatibilité de l’intrication avec la relativité.
Les applications
La cryptographie quantique
Deux correspondants partagent des paires de photons intriqués (ou s’échangent des photons préparés dans des états particuliers) pour générer une clé secrète. Toute tentative d’espionnage perturbe les états quantiques et se trahit par une modification des corrélations. Des réseaux de démonstration fonctionnent déjà sur fibre optique et par satellite.
La téléportation quantique
L’intrication permet de transférer l'état quantique d’une particule à une autre particule éloignée, sans que la particule elle-même voyage. Ce n’est pas une téléportation de matière, et elle nécessite aussi un message classique. Elle a été réalisée avec des photons en 1997 et sur de grandes distances depuis.
Les ordinateurs quantiques
Un ordinateur quantique exploite des qubits, qui peuvent être en superposition, et surtout intriqués entre eux. L’intrication permet de manipuler collectivement un nombre d’états qui croît exponentiellement avec le nombre de qubits. Les machines actuelles comptent de quelques dizaines à plus d’un millier de qubits, mais restent très sensibles aux perturbations, qui détruisent l’intrication (la décohérence).
La métrologie
Des atomes intriqués permettent des mesures plus précises que celles autorisées par des particules indépendantes : horloges atomiques, capteurs de champ magnétique, interféromètres.
Questions fréquentes
Qu’est-ce que l’intrication quantique en termes simples ?
C’est un lien entre des particules qui forment un seul système : leurs propriétés ne sont pas fixées individuellement, mais les résultats de leurs mesures restent parfaitement corrélés, même à grande distance.
Einstein avait-il tort sur l’intrication ?
Il avait raison de souligner son étrangeté, mais tort de penser qu’elle s’expliquait par des variables cachées locales. Les tests des inégalités de Bell, notamment ceux d’Alain Aspect, l’ont démontré.
L’intrication va-t-elle plus vite que la lumière ?
Les corrélations apparaissent instantanément, quelle que soit la distance, mais elles ne transportent aucune information exploitable : on ne peut pas s’en servir pour envoyer un message plus vite que la lumière.
Pourquoi Alain Aspect a-t-il reçu le prix Nobel ?
Pour ses expériences de 1981-1982 avec des photons intriqués, qui ont montré de façon convaincante la violation des inégalités de Bell. Il a partagé le prix 2022 avec John Clauser et Anton Zeilinger.