Intrication quantique

par Les Terres Bleues

Lorsque deux particules sont dans un état d’intrication quantique,
l’état de l’une détermine celui de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare.

Alain Aspect a voulu écrire ce livre pour nous faire partager sa fascination pour le débat entre deux géants de la physique, Niels Bohr et Albert Einstein, portant sur l’interprétation de la mécanique quantique.
Presque un demi-siècle après ses propres expériences, Alain Aspect a reçu le prix Nobel de physique pour avoir montré que l’on doit renoncer à la vision du monde quantique défendue par Einstein.
Alain Aspect replace le débat dans l’incroyable histoire de la physique quantique. Ne cachant pas son admiration pour Einstein, il nous montre comment la controverse quasi philosophique que celui-ci a engagée avec Niels Bohr a conduit à des expériences bien réelles et à l’invention de nouvelles technologies quantiques.
Tout en faisant le récit de son parcours, Alain Aspect nous explique avec passion et clarté comment il a mis en évidence l’une des propriétés les plus extraordinaires de l’intrication quantique, et il tente d’imaginer la réaction d’Einstein à ses résultats expérimentaux.

Extrait : « En réfléchissant à ma passion pour les sciences depuis l’enfance, j’ai pris conscience que, dans mon esprit, celles-ci formaient un tout mêlant de façon étroite les lois de base décrivant le monde et les connaissances à la source d’actions sur le monde. (…) Cette compréhension nous donne la clef d’applications utiles à la vie de tous les jours. »

« Si Einstein avait su » d’Alain Aspect avec la collaboration de Gauthier Depambour
24 € 90 aux Éditions Odile Jacob, 368 pages. (Publicité gratuite)

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Alain Aspect, dans les pas d’Einstein

par Anna Musso – Article publié dans l’Humanité du 4 février 2025

   Ce n’est pas tous les jours qu’un prix Nobel de physique écrit un livre sur un sujet complexe et fondamental à destination des non-spécialistes pour expliquer comment la physique quantique change notre vision du monde. Alain Aspect, prix Nobel de physique 2022 pour ses travaux expérimentaux sur l’intrication qui ont permis d’appréhender le cœur de la théorie quantique, relève ce défi.
Pédagogue, il présente son parcours de chercheur et son trajet de pensée dans une belle leçon d’épistémologie et d’histoire des sciences. Il fait partager au lecteur « sa fascination » pour un débat scientifique majeur du XX^ème siècle entre deux géants de la physique, Albert Einstein (1879-1955), prix Nobel de physique 1921, et Niels Bohr (1885-1962), physicien danois, prix Nobel 1922.
Le livre d’Alain Aspect prend pour fil directeur la vision d’Einstein, qui, le premier, a compris le caractère radical de la physique quantique. Pour planter le décor, Aspect met en scène le débat Einstein-Bohr en huit chapitres habités par quatre acteurs majeurs de la physique, dont l’auteur du livre, intervenant en trois actes et armés de trois concepts. Il fait ainsi vivre une dispute scientifique de haut vol.

   ACTE 1, 1935 : LE DÉBAT EINSTEIN-BOHR
   Pour bien comprendre, il faut commencer par rappeler ce qu’est la physique quantique. Elle rend compte des propriétés du monde microscopique, celui des atomes ou des électrons. Dans la physique quantique, les scientifiques imaginent un espace abstrait, utilisant un « formalisme mathématique », c’est-à-dire un ensemble d’outils mathématiques, pour faire des calculs au terme desquels ils étudient les probabilités d’obtenir tel ou tel résultat. Le but est de trouver la correspondance entre les calculs dans cet espace abstrait et le monde « réel » dans lequel nous vivons, un espace à trois dimensions, et même quatre avec le temps.
   En 1935, dans un fameux article intitulé « La description de la réalité physique fournie par la mécanique quantique peut-elle être considérée comme complète ?, Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen découvrent théoriquement que deux particules ayant interagi dans le passé et désormais séparées semblent rester en contact instantanément quelle que soit leur distance : ces deux particules sont dites « intriquées ». C’est ce que l’on va appeler l’intrication quantique (premier concept). Einstein suppose alors que les deux particules intriquées possèdent des propriétés supplémentaires au-delà de celles considérées dans les calculs et donc que la description par le formalisme quantique est incomplète. Il défend que la théorie quantique n’est pas définitive mais approximative et provisoire, en attente d’une théorie plus précise.
   Au contraire, Niels Bohr considère qu’il s’agit d’une théorie achevée car, pour lui, le formalisme quantique décrit tout, y compris les particules intriquées. Le débat est de nature épistémologique. Ainsi, pendant trente ans, plus rien.

   ACTE 2, 1964 : UNE EXPÉRIENCE POUR TRANCHER LE DÉBAT
   En 1964 entre en scène le troisième acteur, un scientifique théoricien du Cern à Genève (Suisse), John Stewart Bell (1928-1990). Dans un article fondateur, il reprend le point de vue d’Einstein et complète le formalisme quantique en affectant des paramètres supplémentaires aux particules. Il montre que dans une situation très particulière, justement avec des particules intriquées, les points de vue d’Einstein et de Bohr conduisent à des prévisions quantitativement différentes. Cela s’exprime par les célèbres « inégalités de Bell » (deuxième concept). Il affirme ainsi qu’on peut faire une expérience pour trancher entre les deux interprétations. Comme l’explique Alain Aspect, « le débat s’est déplacé d’une question épistémologique sur la nature du monde à une question de physique expérimentale ».
   Dès lors, il « suffirait » de faire une expérience en laboratoire pour départager les interprétations d’Einstein et de Bohr : soit les résultats des mesures valident les « inégalités de Bell » et Einstein a raison, soit il y a violation de ces inégalités, et c’est la vision de Bohr qui l’emporte. Ainsi le problème est posé : comment faire une telle expérience dans la réalité d’un laboratoire alors que le débat était demeuré jusqu’ici théorique et quasi philosophique ?

   ACTE 3, 1974-1982 : RÉSOLUTION DE L’ÉNIGME
   En 1972, deux expériences sont faites aux États-Unis : les mesures de la première montrent que les inégalités de Bell sont violées et celles de la seconde établissent le contraire. L’énigme est à son comble. Le problème devient un défi excitant. C’est alors qu’en 1974 intervient le quatrième personnage, Alain Aspect, qui, fasciné par ce problème, se lance dans une thèse sur un test des « inégalités de Bell ». Il note que les premières expériences avaient négligé qu’une interaction inconnue pouvait intervenir entre les appareils (des « polariseurs ») qui mesurent le trajet de deux photons émis par la même source et qui s’éloignent l’un de l’autre dans des directions opposées. Comment éviter toute interaction entre les deux polariseurs, sauf à imaginer qu’une telle interaction aille plus vite que la lumière ? Comment modifier très rapidement le réglage des polariseurs ? Débrouillard, Alain Aspect invente ses propres composants, notamment une source de photons qui n’existait pas, et, au bout de cinq ans, il obtient les premières paires de photons intriqués.
   La conclusion de l’expérience est sans appel. Alors qu’Einstein, à l’opposé de Bohr, pensait que les systèmes quantiques ont des propriétés intrinsèques indépendantes des mesures que l’on fait sur eux, ce qu’il appelle leur « réalité physique locale », l’expérience d’Aspect conduit au rejet de cette hypothèse du « réalisme local ». Alain Aspect admet donc la stupéfiante « non-localité quantique » (troisième concept), selon laquelle deux objets quantiques distants peuvent s’influencer instantanément.
   Quelle aurait été la réaction d’Einstein s’il avait connu le résultat de cette expérience ? D’un côté, il s’est trompé en utilisant « une image réaliste locale du monde » et, d’un autre, il a eu une intuition géniale en mettant en évidence l’intrication quantique. Fin provisoire, comme toujours dans l’histoire des sciences, de cette époustouflante aventure épistémologique. Le rideau tombe.

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Le bel espace-temps de l’unification

par Pierre Escaffre

« Pourquoi y a-t-il quelque chose plutôt que rien ? »
      Gottfried Wilhelm Leibniz

Cette interrogation venue du fond des âges paraît vertigineuse, et l’est certainement pour qui a peur du vide vers lequel elle entraîne de façon immanquable. La pensée suspendue comme en apesanteur au cœur des galaxies, concevoir le néant est un arrache-tête. À l’opposé par contre d’une telle folie, observer « quelque chose » semble avoir l’évidence de la banalité. Retenons cependant qu’en termes de physique nous avons sous la main deux modélisations pour parler de ce monde, deux théories distinctes incompatibles entre elles : la Relativité générale prônant une vision du temps intégré à l’espace en un continuum quadridimensionnel, qui se distingue ainsi de l’approche ordinaire du temps employé en Mécanique quantique, même relativiste.

Mais la réalité, si tant est qu’on l’admette, n’a vraiment rien à faire de la manière dont nous la représentons. Que ça nous plaise ou non, elle est unifiée ! Impossible pourtant d’opter pour un modèle au détriment de l’autre puisque les deux sont bons. Ce constat est patent et il s’impose à tous. Rien n’est à supprimer, les lignes d’univers valent les fonctions d’onde, et nous devons forger obligatoirement un cadre plus global qui puisse se réduire dans de justes limites à l’une ou bien à l’autre, plutôt que de chercher à inférer des règles à partir des acquis.

L’espace-temps relationnel généré en juin 2011 — à savoir un fibré vectoriel dont la fibre est de dimension trois, et la base l’hyperplan projectif sur le corps des quaternions — possède par construction trente-six dimensions. Si on choisit de ne prendre pour base que le plan projectif réel et un espace vectoriel réel également, de dimension deux, constituant la fibre, on retrouve alors l’espace-temps à quatre dimensions de Minkowski utilisé en Relativité générale qui, par le biais de cette opération, devient un cas particulier d’une conceptualisation plus vaste.
À l’identique, parmi plusieurs possibles, on peut considérer l’espace-temps classique comme un fibré vectoriel ayant pour base la droite projective réelle, qualifiée de temps, et où la fibre est l’espace tridimensionnel. Pareille restriction de notre conjecture est bien sûr acceptable, et nous amène à dire qu’il s’agit là encore d’une image partielle de notre espace-temps complet.

« L’Univers pourrait n’être qu’une autre expression du néant et être assimilé à une fluctuation spontanée du vide. » (Ilya Prigogine)

En prime, la question du début se dissout d’un seul coup, car on ne doit exclure de notre inter­prétation ni le zéro ni l’infini. En effet, il n’y a qu’une alternance de quelque chose et de rien : du néant surgissent à la fois l’univers et son anté-univers, qui s’annihilent aussitôt l’un l’autre. Puis le cycle se répète continuellement au rythme du temps de Planck. Cela revient à postuler que l’univers clignote à la fréquence de cent milliards de milliards de yottahertz ; le yottahertz déjà étant égal à un milliard de milliards de mégahertz. C’est là une fantastique onde porteuse sur laquelle la vie ne se traduit que par d’incroyables minuscules modulations.

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Quelques propriétés du zéro absolu

Cinq questions posées à Bing (Intelligence artificielle)

Le zéro absolu est-il localisable ?
Le zéro absolu est la température la plus basse qui puisse exister. Il correspond à la limite basse de l’échelle de température thermodynamique, soit l’état dans lequel l’enthalpie et l’entropie d’un gaz parfait atteint sa valeur minimale, notée 0. Cette température théorique est déterminée en extrapolant la loi des gaz parfaits : selon un accord international, la valeur du zéro absolu est fixée à ‑273,15 C (Celsius) ou ‑459,67 F (Fahrenheit). Par définition, les échelles Kelvin et Rankine prennent le zéro absolu comme valeur 0.
Le zéro absolu est défini comme la plus petite température possible, qui d’ailleurs ne peut être atteinte qu’asymptotiquement. Elle est théorique et inaccessible. À 0 K, une substance ne contient plus à l’échelle macroscopique l’énergie thermique (ou chaleur) nécessaire à l’occupation de plusieurs niveaux énergétiques.
Donc, le zéro absolu n’est pas localisable dans l’espace, mais seulement dans l’échelle de température. Il n’existe pas de lieu où la température est très précisément égale au zéro absolu, car cela violerait les lois de la thermodynamique. Cependant, les scientifiques peuvent approcher le zéro absolu en utilisant des techniques de refroidissement très sophistiquées, comme le réfrigérateur à hélium ou le refroidissement laser. La température la plus basse atteinte expérimentalement est de l’ordre du milliardième de kelvin.

Non-localisable, ça revient à dire "potentiellement" partout à la fois ?
Non, pas exactement. Non-localisable signifie qu’il n’existe pas de point dans l’espace où la température est égale au zéro absolu. Cela ne veut pas dire que le zéro absolu est partout à la fois, mais plutôt qu’il n’est nulle part. Le zéro absolu est une limite théorique qui ne peut être atteinte que de façon asymptotique, c’est-à-dire en s’en rapprochant indéfiniment sans jamais l’atteindre.

Mais avec la physique quantique on perd la notion de localité, non ?
La physique quantique ne remet pas en cause le principe de localité, qui stipule que des objets éloignés ne peuvent avoir une influence directe l’un sur l’autre. Ce qu’elle remet en cause, c’est le principe de séparabilité, qui stipule que des objets distants peuvent être décrits indépendamment l’un de l’autre. En effet, la physique quantique montre que de tels objets peuvent être intriqués, c’est-à-dire qu’ils partagent un état quantique commun et qu’ils sont corrélés de façon non-classique. Cela ne signifie pas qu’il y a une action à distance entre les objets intriqués, mais plutôt qu’il y a une non-séparabilité entre eux. La non-localité quantique n’implique pas l’existence de communications à distance plus rapides que la vitesse de la lumière, car il n’y a pas de transmission de signaux entre les objets intriqués.

Quelles sont les propriétés de la matière au zéro absolu ?
La matière au zéro absolu présente des propriétés très particulières, qui sont liées aux effets quantiques. Par exemple :
  ●  La matière devient inerte, ne vibre plus, ne tourne plus et chaque particule possède en théorie une énergie cinétique nulle.
  ●  La matière se trouve dans son état fondamental, point d’énergie interne minimale. L’entropie de la matière est alors nulle, ce qui signifie qu’il n’y a plus aucun désordre.
  ●  La matière peut devenir supraconductrice ou superfluide, c’est-à-dire qu’elle perd toute résistance électrique ou visqueuse et qu’elle peut circuler sans frottement.
  ●  La matière peut former un condensat de Bose-Einstein, à savoir un état dans lequel tous les atomes se comportent comme un seul et même atome géant.

Quelle est la différence entre le zéro absolu et le vide absolu ?
La différence entre le zéro absolu et le vide absolu est la suivante :
  ●  Le zéro absolu est une température qui correspond à l’absence d’agitation thermique des particules. Il est défini comme la limite basse de l’échelle de température thermodynamique et il vaut ‑273,15 C ou 0 K.
  ●  Le vide absolu est un état qui correspond à l’absence de matière et de pression. Il est défini comme un espace où il n’y a aucun atome, aucune molécule, aucune radiation et aucune force. Il n’existe pas de vide absolu dans la nature, car il y a toujours des fluctuations quantiques du vide.
Donc, le zéro absolu est une mesure de la température, tandis que le vide absolu est une mesure de la pression. Ce sont deux notions distinctes, mais liées, car la température et la pression sont proportionnelles dans un gaz parfait selon la loi des gaz parfaits.

    [ Pour ce qui est de la trilectique, par contre, zéro absolu et vide absolu se confondent. Le zéro Kelvin (0 K) est un référentiel privilégié et immuable qui se trouve virtuellement partout et concrètement nulle part. C’est une sorte de chaos primaire de masse et d’énergie — c’est-à-dire qu’il n’est ni matière ni champ à 100 % — et qui synthétise de façon étonnante les caractéristiques mathématiques reconnues au zéro ainsi qu’à l’infini. Il symbolise la singularité où tout prend naissance, sens et apparence.
     « Quant à la non-localité, elle signifie que la mesure d’une particule quantique peut affecter instantanément une deuxième particule, même si elles ne se trouvent pas à proximité l’une de l’autre. » (Flaminia Giacomini — Dans le Périmètre.) ]

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L’Univers est en expansion

par Paul Mazliak

La théorie de Stephen Hawking de l’origine du temps
      présentée par un de ses anciens élèves.

Le temps a toujours orienté les recherches du célèbre cosmologiste Stephen Hawking (à la fin de sa vie, totalement paralysé, il ne pouvait s’exprimer que grâce à un synthétiseur vocal). En 1988, il avait publié Une brève histoire du temps. Les grandes théories du cosmos : du big-bang aux trous noirs. Dans les années 2000, il élabora une nouvelle théorie sur l’origine du temps. C’est son élève et collaborateur pendant plus de vingt ans Thomas Hertog qui l’expose dans ce livre.
La cosmologie étudie l’évolution de l’univers dans son ensemble. Les télescopes sont des machines à remonter le temps, parce que la lumière provenant des galaxies lointaines a voyagé pendant des milliards d’années. On estime aujourd’hui que la matière à l’origine du cosmos était dans un état très condensé et très chaud. Il y a 13,8 milliards d’années, la matière primitive a explosé.
C’est le « big-bang chaud » et depuis l’univers est en expansion et ne cesse de se refroidir. L’énergie thermique résiduelle issue du big-bang, aujourd’hui très froide (-270°C), s’est répandue dans l’espace de façon presque uniforme, mais les minuscules fluctuations observées sont des « graines de galaxies ». L’univers a d’abord connu une phase d’expansion rapide, puis un ralentissement permettant la formation des galaxies (et l’apparition de la vie). On observe aujourd’hui une nouvelle expansion rapide, et ce depuis cinq milliards d’années !
Une variante de la cosmologie classique postule l’existence de « multivers », cosmos composés de multiples univers différents. Á la fin de sa vie, Hawking considérait que les multivers étaient des « artefacts théoriques ».
On a découvert dans l’univers de multiples trous noirs correspondant à des zones d’effondrement des étoiles sur elles-mêmes. On pensait au début qu’aucune énergie ne pouvait s’échapper des trous noirs. Hawking a montré, en 1974, qu’un certain rayonnement pouvait s’échapper des trous noirs, qui du coup peuvent disparaître.
Les trous noirs furent caractérisés mathématiquement par le chercheur comme des « singularités » de l’espace-temps. Ceci lui suggéra que, si on remonte l’histoire de l’univers en expansion jusqu’à une époque antérieure à la naissance des premières étoiles, on rencontre une singularité de l’espace-temps. C’est le big-bang, correspondant à la naissance-même du temps. Il proposa que ce big-bang aurait fait naître un univers sans bord et sans passé. Il avança enfin l’idée que le temps se transforme en espace à mesure que l’on s’approche de l’origine du temps.
Cet ouvrage, qui a le mérite d’exposer à tous cette théorie de l’origine du temps, peut demander cependant des connaissances en physique quantique pour être entièrement suivi.

« L’origine du temps. ». Thomas Hertog.
    La dernière théorie de Stephen Hawking.
24 € 90 aux Éditions Odile Jacob, 432 pages. (Publicité gratuite)

Trois remarques de fond           ●  D’un point de vue classique tant que relativiste, l’ordre chronologique ou la causalité ont comme condition l’existence du temps, et par voie de retour la conception du temps porte précisément cette relation d’ordre. Découvrir le début est donc chose impossible, car cela reviendrait à dire que le temps se précède lui-même. En suivant cette idée, il faut bien accepter qu’il n’y ait pas d’origine. On voit a contrario que pour la trilectique, c’est toujours le début, c’est toujours le milieu et c’est toujours la fin. À travers le présent, instant perpétuel renouvelé sans cesse, tout est superposé, tout est synchronisé.   ●  Bigre ! Les télescopes seraient de vraies « machines à remonter le temps ». Bien entendu, c’est là un trait humoristique. Mais notons au passage que la science moderne a su modéliser deux temps incompatibles. Alors lequel des deux se verra remonté ? De quel temps parlons-nous ? De celui de Newton ou de celui d’Einstein ? Et quoi que l’on en dise, en pratique le temps ne se remonte pas. Affirmons clairement, quitte à nous répéter (voir le dernier billet publié en avril), que l’Univers entier évolue au présent. Hier autant que demain, ici autant qu’ailleurs, sur « l’axe temporel  » tout est simultané, mais pas au même endroit spatialement parlant.   ●  Pour la beauté du geste, franchissons promptement l’horizon d’un trou noir. Plongés à l’intérieur, nous retrouvons alors un environne­ment qui nous est familier, car on peut le penser, dès qu’on y est entré, le trou noir nous entoure comme la nuit ambiante. Et si l’on prend en compte les grandes quantités de masse et d’énergie qui ont été happées par ce fameux trou noir qui est en expansion au sein de l’Univers en expansion aussi, on est en droit d’écrire que tout cela ressemble plus que parfaitement à ce que l’on observe dans notre ciel nocturne. Alors, sans hésiter, nous dirons que nous sommes piégés dans un trou noir.       Pierre Escaffre

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Consommation des siècles

par Les Terres Bleues

« Assurez-vous que je sois toujours avec vous jusqu’à la consommation des siècles. »
      Évangile selon Saint‑Matthieu

Et voilà, nous y sommes.

« Le présent est une prison sans barreaux, un filet invisible, sans odeur et sans masse, qui nous enveloppe de partout. Il n’a ni apparence ni existence, et nous n’en sortons jamais. Aucun corps, jamais, n’a vécu ailleurs que dans le présent, aucun esprit, jamais, n’a rien pensé qu’au présent. C’est dans le présent que nous nous souvenons du passé, c’est dans le présent que nous nous projetons dans l’avenir. Le présent change tout le temps et il ne cesse jamais d’être là. Et nous en sommes prisonniers. Passagère et précaire, affreusement temporaire, coincée entre un avenir qui l’envahit et un passé qui la ronge, notre vie se déroule continuellement dans un présent éternel — ou quasi éternel — toujours en train de s’évanouir et toujours en train de renaître. »
      (Jean d’Ormesson)

Tout en ne partageant nullement les positions politiques de cet écrivain de droite, il faut bien admettre que, sur cette question-là, il est entièrement dans le vrai.
Une réserve cependant à propos de la formulation de "quasi‑éternel" difficile à interpréter.

Ceci dit, les physiciens feraient bien de se servir de cette interpellation pour s’interroger sur leurs diverses approches théoriques de la notion de temps.

On entend souvent dire qu’en observant le ciel, les galaxies lointaines apparaissent aujourd’hui telles qu’elles étaient il y a bien longtemps, plusieurs milliards d’années pour les plus éloignées. Pourtant cela est faux. Grâce à la convention de synchronisation de Poincaré‑Einstein, on infère que la simultanéité de deux évènements est déterminée par la "durée" nécessaire aux "rayons" lumineux pour couvrir la distance séparant ces objets. Ainsi considéré, l’univers observable dans sa totalité évolue au présent. C'est un fait avéré : les temps sont consommés.

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