IX. L’intrication
De nouveaux phénomènes apparaissent quand on considère plusieurs particules. A condition de les préparer, il est possible de lier les comportements de deux particules : c’est l’intrication. Cette forme d’enchevêtrement est parfaitement prévue par le calcul et vérifiée par l’expérience, mais elle échappe à notre intuition, plus encore que ce qui précède.
L'intrication en pleine face
Un électron possède une charge, une masse et un spin. On peut imaginer le spin comme une flèche coiffant l’électron. Il ne peut pointer que vers le haut ou vers le bas. On peut préparer deux électrons pour que leurs spins soient opposés : l’un va vers le haut, l’autre vers le bas. Leur spin total est alors nul et le restera tant que les électrons seront liés. Si l’un des spins est mesuré vers le haut, l’autre le sera vers le bas. Cela reste vrai même si les électrons sont séparés. Si on envoie deux électrons intriqués de part et d’autre d’un labo, chaque particule a un spin à la fois vers le haut et vers le bas pendant son trajet vers le détecteur. Au moment de la mesure, elle choisit l’orientation de son spin. Si un électron choisit vers le haut, l’autre choisit automatiquement vers le bas ! Comment être sûr que c’est bien à la fin de l’expérience que tout se joue ?
L'expérience clé
Pour démontrer l’intrication, il ne suffit pas de séparer les particules puis de les mesurer : elles pourraient avoir des spins définis et opposés dès le début. Si ce n’était pas le cas, Einstein imaginait qu’elles pourraient partager une sorte de “variable cachée” qui leur indique que faire de leur spin lors de la future mesure, cette variable étant définie dès le départ contrairement aux spins. En 1964, John Stewart Bell démontre une façon de distinguer une intrication d’un scénario avec variable cachée. Il s’agit de répéter la mesure des spins en changeant l’orientation du détecteur à chaque fois. En combinant les résultats des mesures, on obtient un nombre qui garantit une réelle intrication et l’inexistence de variable cachée si sa valeur dépasse 2. En 1981, Alain Aspect, Philippe Grangier et Gérard Roger à l’institut d’Optique d’Orsay (désormais Paris-Saclay) appliquent ce principe à des photons dont ils mesurent la polarisation et non le spin. Ils excitent un atome de calcium qui émet alors deux photons intriqués. Ils dirigent les photons vers deux détecteurs séparés de 13 m. Les photons, pour “communiquer”, ont besoin de 43 nanosecondes. Les physiciens conçoivent un détecteur qui choisit son orientation à la dernière nanoseconde : impossible donc pour les électrons de s’envoyer des informations l’un à l’autre. Ils réalisent alors les mesures prévues par Bell et obtiennent, dans certaines conditions, une valeur de 2,7 à 1% près, c’est à dire très nettement supérieure à 2 : l’intrication quantique existe bien.
Voir le monde autrement
Einstein défendait le principe de localité qui affirme qu’un objet ne peut être influencé que par son environnement immédiat. Ce principe est faux : l’intrication permet à une particule d’être influencée par une autre instantanément, quelque soit la distance qui les sépare et sans que l’effet s’affaiblisse quand la distance augmente.
La remise en cause de notre vision du monde entraînée par l’intrication dépend de l’interprétation faite de la fonction d’onde. Si on considère que la fonction d’onde existe vraiment, des particules intriquées sont décrites par une même fonction d’onde. Celle-ci s’étale quand on sépare les particules. Elle se réduit instantanément quand on mesure les particules, ce qui contredit le principe de localité et remet en cause la notion d’espace. Si en revanche, on considère la fonction d’onde simplement comme un outil de calcul, la réalité ne prend de sens qu’après la mesure et il n’y a plus de paradoxe.
En 1998 en Suisse, Nicolas Gisin et son équipe obtiennent l’intrication de deux photons séparés de 20 km.
En 2007, l’équipe autrichienne d’Anton Zeilinger parviennent à intriquer deux photons séparés de 144 km entre deux îles des Canaries.
En 2017, le satellite chinois Micius (ou Mozi), orbitant à près de 500 km, envoie des paire de photons intriqués vers deux téléscopes séparés d’environ 1200 km. Au début de leur voyage, dans le vide interstellaire, les photons ne rencontrent presque pas de particules. Mais seule une paire sur les 6 000 000 émises par seconde parvient aux détecteurs sans avoir interagit avec les molécules de l’air lors de la traversée de l’atmosphère. Les chercheurs obtiennent une valeur de 2,37 pour le nombre calculé selon le protocole de Bell. Les paires “survivantes” sont bien intriquées.
En 2022, Alain Aspect, Anton Zeiliger et John Clauser obtiennent le prix Nobel de physique pour avoir démontré l’intrication quantique.
Comment se servir de l'intrication ?
Utiliser l’intrication pour communiquer n’est aujourd’hui pas possible car on ne peut pas choisir ce qui est transmis : on peut “écouter”, mais pas “parler” !
L’intrication permet de transmettre des codes secrets inviolables.
Elle permet aussi de copier l’état quantique d’une particule vers une autre placée bien plus loin par l’intermédiaire d’une paire intriquée. C’est la forme de la fonction d’onde elle-même qui est copiée d’une particule à l’autre. Cette application s’appelle la téléportation quantique.
Imagerie quantique fantôme En 2014, Gabriela Barreto Lemos de l’université de Vienne et son équipe envoient des paires de photons intriqués suivant deux chemins, l’un à droite, l’autre à gauche. Sur celui de gauche est placé un carton dans lequel a été découpé le profil d’un chat. Certains photons passent dans le trou. Les autres heurtent le carton ce qui affecte aussitôt le deuxième photon de la paire sur le trajet de droite. Grâce à un jeu de miroirs les chercheurs récupèrent les photons de droite intriqués avec ceux de gauche qui sont passés dans le trou et obtiennent une image du chat.
L’utilisation la plus célèbre de l’intrication est l’ordinateur quantique constitué de centaines de particules intriquées et superposées à la fois. cf. le chapitre XIII