Un scientifique découvre une faille dans le principe d’incertitude d’Heisenberg

La mécanique quantique a apporté sa juste part de révélations inquiétantes, de l’idée que la réalité objective est une illusion à la prise de conscience que les objets peuvent être dans deux états à la fois (morts et vivants, par exemple). Un tel comportement quantique bizarre ne s’arrête pas lorsque les petits objets deviennent grands – c’est juste que nos sens et nos instruments ne sont pas capables de le détecter. Maintenant, en frappant sur deux ensembles de petits tambours, deux équipes de physiciens ont amené l’échelle à laquelle nous pouvons observer effets quantiques dans le domaine macroscopique.

Les résultats démontrent un effet quantique étrange appelé «enchevêtrement» à une échelle beaucoup plus grande que précédemment, ainsi que la description d’un moyen d’utiliser cet effet – lorsque les particules restent connectées les unes aux autres même si elles sont séparées par de grandes distances – pour échapper à l’incertitude quantique embêtante . Ces connaissances pourraient être utilisées pour sonder la gravité quantique et concevoir des ordinateurs quantiques avec des pouvoirs de calcul bien au-delà des appareils classiques, selon les chercheurs.

Les physiciens se demandent depuis longtemps à quelle échelle les phénomènes quantiques étranges cèdent la place à notre monde macroscopique plus familier et prévisible, principalement parce qu’il n’y a pas de règle absolue qui dit que de tels phénomènes devraient jamais – ils deviennent de moins en moins observables à mesure que les choses évoluent.

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Ou du moins ils le faisaient. De nouvelles expériences de deux équipes distinctes de chercheurs ont fait le saut de l’observation de l’intrication quantique entre des atomes individuels à l’observation entre des membranes d’aluminium de l’ordre du micron – ou «tambours» – constituées d’environ 1 billion d’atomes chacune.

Dans sa forme la plus simple, l’intrication décrit l’idée que deux particules peuvent avoir une connexion intrinsèque qui persiste quelle que soit leur distance. Les particules sont couplées éthérées: mesurez quelque chose sur une particule, comme sa position, et vous glanerez également des informations sur la position de son partenaire intriqué; modifiez une particule et vos actions téléporteront un changement correspondant vers l’autre, le tout à des vitesses plus rapides que la vitesse de la lumière.

Les scientifiques de la première expérience, qui a eu lieu à l’Institut national américain des normes et de la technologie (NIST) à Boulder, au Colorado, ont placé de minuscules tambours, chacun d’environ 10 micromètres de long, sur une puce de cristal, avant de les surrefroidir jusqu’à un zéro absolu. Avec les tambours refroidis, les chances qu’ils interagissent avec quelque chose en dehors du système ont été considérablement réduits, permettant aux scientifiques d’amener les tambours dans un état enchevêtré, vibrant de manière synchronisée lorsqu’ils étaient frappés par des impulsions régulières de micro-ondes.

« Si vous analysez indépendamment les données de position et d’élan pour les deux tambours, ils ont chacun l’air tout simplement chaud », co-auteur John Teufel, physicien au NIST, dit dans un communiqué, se référant au fait que les particules vibrent d’autant plus qu’elles deviennent chaudes. « Mais en les regardant ensemble, nous pouvons voir que ce qui ressemble à un mouvement aléatoire d’un tambour est fortement corrélé avec l’autre, d’une manière qui n’est possible que par l’intrication quantique. »

Les chercheurs ont mesuré l’étendue de l’enchevêtrement des tambours en examinant la correspondance entre leurs amplitudes – leurs distances maximales par rapport à leurs positions de repos – lorsqu’elles oscillaient de haut en bas d’environ la hauteur d’un seul proton. Les chercheurs ont vu que les tambours vibraient de manière hautement synchronisée – lorsqu’un tambour avait une amplitude élevée, l’autre avait une faible amplitude et que leurs vitesses étaient exactement opposées.

« S’ils n’ont pas de corrélations et qu’ils sont tous les deux parfaitement froids, vous ne pouvez deviner la position moyenne de l’autre tambour que dans une incertitude d’un demi-quantum de mouvement », a déclaré Teufal, se référant aux blocs discrets ou « quanta » que les objets quantiques comme le tambour vibre. « Lorsqu’ils sont enchevêtrés, nous pouvons faire mieux, avec moins d’incertitude. L’enchevêtrement est la seule façon d’y parvenir. » Les deux tambours vibrants à grande échelle semblent être deux objets individuels, mais ils sont reliés par un enchevêtrement quantique effrayant.

Les chercheurs du NIST souhaitent utiliser leur système de batterie pour construire des nœuds, ou points de terminaison de réseau, dans des réseaux quantiques, tout en les adaptant à des problèmes qui nécessitent des niveaux de précision sans précédent, comme la détection de la gravité lorsqu’elle agit à la plus petite échelle.

Une deuxième équipe de chercheurs, dirigée par Mika Sillanpää de l’Université Aalto en Finlande, a décidé d’utiliser son propre système de tambour quantique pour contourner l’une des règles les plus strictes de la physique quantique – le principe d’incertitude de Heisenberg.

Introduit pour la première fois par le physicien allemand Werner Heisenberg en 1927, le principe fixe une limite absolue à la précision absolue que nous pouvons obtenir lors de la mesure de certaines propriétés physiques d’une particule. Il consacre l’idée qu’à son niveau le plus petit et le plus fondamental, l’univers est une bête floue et imprévisible, ne permettant jamais de connaître des informations complètes à son sujet.

Vous ne pouvez pas connaître à la fois la position et l’élan d’une particule avec une précision absolue, par exemple. Vous voulez savoir exactement où se trouve un électron? Vous pouvez le mesurer à plusieurs reprises pour créer une certaine certitude. Mais plus vous faites cela, plus vous interagissez avec lui, ce qui change son élan. La même chose se produit dans l’autre sens. La certitude dans le monde quantique est un compromis – dans un domaine où les objets existent davantage sous forme de nuages ​​de probabilités, devenir plus sûr d’une de leurs propriétés signifie devenir moins sûr d’une autre.

Mais la deuxième équipe de chercheurs a trouvé un moyen de contourner ce problème. En frappant continuellement leur tambour quantique avec des photons ou des particules de lumière, comme ils le feraient avec une caisse claire, les chercheurs ont pu accorder leurs tambours dans un état intriqué. Ensuite, au lieu de mesurer la position et l’élan de chaque tambour individuel, les chercheurs ont traité les tambours enchevêtrés comme s’il s’agissait d’un seul tambour combiné et ont mesuré la position du tambour imaginaire sans affecter sa vitesse.

« L’incertitude quantique du mouvement des tambours est annulée si les deux tambours sont traités comme une seule entité de mécanique quantique », explique l’auteur principal Laure Mercier de Lepinay, chercheuse postdoctorale à l’Université Aalto en Finlande, dit dans un communiqué.

Cela ouvre une toute nouvelle gamme de possibilités pour des mesures à la plus petite échelle sans perte d’informations et, compte tenu de la manière continue de prendre la mesure, pour leurs nouveaux capteurs quantiques pour surveiller des systèmes minuscules en constante évolution. Les chercheurs espèrent que leurs tambours enchevêtrés seront suffisamment sensibles pour mesurer les minuscules distorsions dans l’espace créées par les ondes gravitationnelles et matière noire, en plus d’être utilisés pour relier des réseaux quantiques, qui utilisent des objets intriqués comme leurs tambours comme relais.

Les deux expériences nous confrontent également à la réalité de notre proximité avec le monde quantique, qui – malgré des expériences de pensée apparemment farfelues qui invoquent des chats à moitié morts et à moitié vivants – saigne dans les nôtres de manière beaucoup plus subtile que nous pourrions le penser.

le premier et le deuxième les deux équipes ont publié leurs résultats le 7 mai dans la revue Science.

Publié à l’origine sur 45Secondes.fr.