Fig.2. Test expérimental des inégalités de Bell Une source émet une paire de photons intriqués ν1 et ν2 . Leurs polarisations sont analysées par deux polariseurs A et B. qui sont respectivement alignés le long de a et b (a et b peuvent une quelconque direction appartenant au plan xy, sur la figure, ils sont // à Ox. A et B ont 2 canaux de sortie , notés +1 et -1. Un photon ν1 polarisé // (perpendiculaire) à a va sortir +1 (-1) de A. De même, un photon ν2 polarisé // (perpendiculaire) à b sortira +1 (-1) de B. En général les photons ne sont pas dans un état de polarisation spécifique d’un canal. Le formalisme quantique prédit les probabilités d’obtenir +1 ou -1pour des orientations spécifiques des analyseurs. Pour l’état intriqué des 2 photons polarisés décrits ici, la mécanique quantique prédit des résultats aléatoires de chaque côté (une probabilité de50 %d’être +1 ou -1) Mais elle prédit aussi de fortes corrélations entre ces résultats aléatoires. Par exemple, si les 2 polariseurs sont alignés sur la même direction (a = b), les résultats en A et B seront (+1,+1) ou (-1,-1) et jamais (+1,-1) ni (-1,+1). Cette corrélation totale peut être observée à l’aide des 4 détecteurs. Tiré de A. Aspect 16 December 2015 Physics 8, 123

Prix Nobel de Physique 2022 : L’intrication quantique dans tous ses états !

Le formalisme de la mécanique quantique implique l’existence d’un phénomène physique qui choque l’intuition, l’intrication, dans lequel les états quantiques d’un système de 2 (ou plusieurs) objets (atomes, électrons photons,etc) ne sont pas indépendants même si les objets sont à grande distance l’un de l’autre. Cette non-localité des objets quantiques ne fut pas admise par Albert Einstein, qui avec Boris Podolsky et Nathan Rosen (EPR) publia en 1935 un article qui mettait en doute le caractère complet du formalisme de la mécanique quantique et excluait la possibilité de l’intrication.

Sans rejeter la mécanique quantique, dont il avait en 1905 été l’un des fondateurs, Einstein refusait le caractère de non-localité associé à l’intrication et disait qu’il fallait compléter la théorie par des variables cachées. Niels Bohr, avec l’école de Copenhague, réfutait cela et admettait au contraire qu’une mesure effectuée sur une particule d’une paire intriquée puisse affecter l’état de l’autre particule de la paire, quelle qu’en soit la distance.
A cette époque il était impossible de réaliser des expériences permettant de trancher entre les deux positions. La discussion se tenait donc autour de « gedanken experimente », expériences par la pensée. Par exemple, celle proposée par EPR mettait en jeu 2 particules de spin 1/2 dans un état singulet qui se séparaient et sur lesquelles on effectuait des mesures de spin. Le formalisme de la mécanique quantique permettait, si l’on mesurait la valeur du spin d’une des deux particules, de prévoir la valeur du spin de l’autre ; cette prédiction de la mécanique quantique choquait beaucoup Albert Einstein et les partisans de l’article EPR car il n’y avait plus localité des phénomènes.

 

Deux ou plusieurs particules sont dans un état singulet quand elles sont corrélées de telle façon que le moment angulaire orbital total de l’état soit égal à zéro.En fait, elles sont intriquées.
L’intrication quantique (en anglais entanglement ) est un phénomène dans lequel deux particules (ou groupes de particules) forment un système lié, et présentent des états dépendant l’un de l’autre quelle que soit la distance qui les sépare.

En 1964, John Bell montra que les théories (en accord avec EPR) qui expliquaient l’intrication par des propriétés communes des particules de la même paire exigeaient certaines inégalités qui, au contraire, ne pouvaient pas toujours être satisfaites par les prédictions de la mécanique quantique.

Le physicien américain John Clauser (un des trois Nobel 2022) proposa une expérience correspondant à la gedanke experiment de EPR mais X de qui utilisait des photons et leur polarisation au lieu de particules de spin 1/2 et leur spin.

La figure 1 schématise le montage.
Une source émet des paires de photons dans un état intriqué.

Après la séparation des photons, on effectue des mesures corrélées des polarisations le long des directions a et b. Chaque mesure peut fournir 2 valeurs : +1 si la polarisation est trouvée // à a, -1 si elle est // à b. On tire de plusieurs mesures les probabilités d’avoir +1 ou -1 le long de a et le long de b. De ces probabilités on tire un coefficient de corrélation qui conduit à un facteur S avec lequel les inégalités de Bell s’expriment par :

                                                                                                  -2≤ S ≤2

Fig.1. Schéma de la Gedanken experiment d’Einstein , Podolsky, Rosen et sa réalisation expérimentale par J. Clauser Deux particules de spin ½ (ou des photons) qui sont dans un état singulet (ou analogue) se séparent. Les composantes de spin (ou la polarisation linéaire des photons) de 1 et 2 repérées par +1 et -1) sont mesurées le long de a et b . La mécanique quantique prévoit une forte corrélation entre ces mesures. A . Aspect et al. PHYSICAL REVIEW LETTERS, VOLUME 49, NUMBER 2, 1982

Fig.1. Schéma de la Gedanken experiment d’Einstein , Podolsky, Rosen et sa réalisation expérimentale par J. Clauser
Deux particules 1 et 2 de spin ½ (ou des photons) qui sont dans un état singulet (ou analogue) se séparent. Les composantes de spin (ou la polarisation linéaire des photons) de 1 et 2 repérées par +1 et -1) sont mesurées le long de a et b . La mécanique quantique prévoit une forte corrélation entre ces mesures.
A . Aspect et al. PHYSICAL REVIEW LETTERS, VOLUME 49, NUMBER 2, 1982

J. Clauser réalisa en 1972 avec des photons la première expérience montrant une violation des inégalités de Bell. Elle fut suivie en 1976 par un test amélioré en précision. On obtenait S>2 donc violation des inégalités de Bell.

Toutes les expériences avec photons utilisaient des analyseurs de polarisation à un seul canal transmettant une polarisation et bloquant la perpendiculaire. On ne pouvait mesurer que le taux de coïncidence d’une polarisation dans les deux canaux. Et de nombreuses difficultés venaient de la faible efficacité des détecteurs.
Mais ces expériences ne permettaient pas un test direct des inégalités ci-dessus parce qu’aucune ne suivait assez étroitement le schéma de la figure 1.

En 1982, A. Aspect( l’un des trois Prix Nobel de Physique 202) et al. ont réalisé une expérience ( Fig. 2. ci-dessous) qui suivait de plus près le schéma idéal de la Fig.1.

En outre, on pouvait faire varier les orientations des polariseurs pendant le vol des photons. Cette variation était bien plus rapide que le temps qu’aurait mis la lumière pour aller d’un polariseur à l’autre. Cela excluait l’hypothèse de transmission classique d’un polariseur à l’autre que des partisans de la théorie EPR avançaient pour sauver la ̋localité ̋.

Alain Aspect présentait la preuve la plus aboutie que la mécanique quantique était juste dans sa prédiction d’un phénomène aussi contre-intuitif que l’intrication.

Fig.2. Test expérimental des inégalités de Bell Une source émet une paire de photons intriqués ν1 et ν2 . Leurs polarisations sont analysées par deux polariseurs A et B. qui sont respectivement alignés le long de a et b (a et b peuvent une quelconque direction appartenant au plan xy, sur la figure, ils sont // à Ox. A et B ont 2 canaux de sortie , notés +1 et -1. Un photon ν1 polarisé // (perpendiculaire) à a va sortir +1 (-1) de A. De même, un photon ν2 polarisé // (perpendiculaire) à b sortira +1 (-1) de B. En général les photons ne sont pas dans un état de polarisation spécifique d’un canal. Le formalisme quantique prédit les probabilités d’obtenir +1 ou -1pour des orientations spécifiques des analyseurs. Pour l’état intriqué des 2 photons polarisés décrits ici, la mécanique quantique prédit des résultats aléatoires de chaque côté (une probabilité de50 %d’être +1 ou -1) Mais elle prédit aussi de fortes corrélations entre ces résultats aléatoires. Par exemple, si les 2 polariseurs sont alignés sur la même direction (a = b), les résultats en A et B seront (+1,+1) ou (-1,-1) et jamais (+1,-1) ni (-1,+1). Cette corrélation totale peut être observée à l’aide des 4 détecteurs. Tiré de A. Aspect 16 December 2015 Physics 8, 123

Fig.2. Test expérimental des inégalités de Bell
Une source émet une paire de photons intriqués ν1 et ν2 . Leurs polarisations sont analysées par deux polariseurs A et B. qui sont respectivement alignés le long de a et b (a et b peuvent une quelconque direction appartenant au plan xy, sur la figure, ils sont // à Ox. A et B ont 2 canaux de sortie , notés +1 et -1. Un photon ν1 polarisé // (perpendiculaire) à a va sortir +1 (-1) de A. De même, un photon ν2 polarisé // (perpendiculaire) à b sortira +1 (-1) de B. En général les photons ne sont pas dans un état de polarisation spécifique d’un canal. Le formalisme quantique prédit les probabilités d’obtenir +1 ou -1pour des orientations spécifiques des analyseurs. Pour l’état intriqué des 2 photons polarisés décrits ici, la mécanique quantique prédit des résultats aléatoires de chaque côté (une probabilité de50 %d’être +1 ou -1) Mais elle prédit aussi de fortes corrélations entre ces résultats aléatoires. Par exemple, si les 2 polariseurs sont alignés sur la même direction (a = b), les résultats en A et B seront (+1,+1) ou (-1,-1) et jamais (+1,-1) ni (-1,+1). Cette corrélation totale peut être observée à l’aide des 4 détecteurs.
Tiré de A. Aspect Physics 8, 123,  16 December 2015

 

Le groupe dirigé à Vienne par Anton Zellinger (le troisième lauréat du prix Noberl de physique 2022) a publié en 2015 les résultats d’une expérience basée sur le schéma de la figure 1. Le groupe a utilisé des polariseurs rapidement commutable et éloignés de 30 mètres, ce qui excluait la faille de localité. Les détecteurs utilisés sont de haute sensibilité. Les paires de photons sont préparées en utilisant un cristal non linéaire pour convertir un photon « pompé »  en 2 autres photons intriqués. Les polariseurs sont orientés par un système utilisant un générateur de nombres au hasard. Les résultats confirment ceux obtenus de l’équipe d’Aspect (1982) et sont eux-mêmes confirmés par

une expérience similaire montée par le groupe de R. Hanson à Delft aux Pays-Bas .

Notons que le système de préparation des paires de photons dans ces 2 dernières expériences a été utilisé dans une expérience d’intrication quantique entre des lieux distants de 1200 km réalisée en 2017 en Chine à l’aide d’un satellite et de 2 observatoires au sol (CF Le Blog des Sciences 3 juil 2017).

Les résultats de ces expériences ont une importance fondamentale en ce qu’ils confirment définitivement le caractère non local de la mécanique quantique défendu par l’école de Copenhague (N. Bohr et al.).

Ils garantissent la sécurité de plusieurs propositions de cryptographie quantique. Outre cela, un large champ de recherche s’ouvre : ordinateurs  quantiques, réseaux de communication quantiques,…

 

A. Aspect 16 December 2015 Physics 8, 123

Experimental Realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment: A New Violation of Bell’s Inequalities  Alain Aspect, Philippe Grangier, and Gérard Roger
PHYSICAL REVIEW LETTERS VOLUME 49, NUMBER 2, 12 JULY 1982

Voici un  lien vers une conférence donnée par Alain Aspect sur ces sujets  et leurs  applications à la Cité des Sciences et de l’Industrie en octobre 2019. (30 min.)