Paradoxe EPR : des signaux plus rapides que la lumière ?

Paradoxe EPR : des signaux plus rapides que la lumière ?



Par Laurent Sacco, Futura-Sciences


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Un groupe de physiciens de l’Université de Genève (UNIGE) dirigé par Nicolas Gisin, l’un des pionniers de la téléportation quantique, vient de poser des bornes à l’hypothétique vitesse de propagation d’un signal, dépassant la vitesse de la lumière, proposé pour expliquer classiquement le paradoxe EPR.


Il existe en mécanique quantique
un effet très célèbre dénommé paradoxe d’Einstein-Podolski-Rosen, ou
paradoxe EPR. C’est en 1935 qu’Einstein et ses deux jeunes collègues
publièrent un article tentant de prouver que la mécanique quantique ne
pouvait pas être la description ultime de ce qu’était un quanta de
lumière, ou un quanta de matière, car conduisant à des phénomènes
violant au minimum l’esprit de la relativité restreinte.


Deux particules, comme des photons
produits par la désintégration d’une autre particule, y apparaissaient
alors comme un tout indissociable et toute mesure de l’une de ces
particules, produisant une modification de l’état de cette dernière,
entraînait instantanément une modification de l’état de l’autre, quand
bien même celles-ci soient séparées par une distance de plusieurs
millions d’années-lumière. Une conclusion qui semblait bien peu
compatible avec la théorie de la relativité d’Einstein qui implique
qu’aucun signal ne peut se déplacer plus vite que la lumière dans
l’Univers.

Pour décrire l’état particulier de ces paires de
particules en mécanique quantique, on parle de paires de particules
intriquées, et il y a une théorie mathématique permettant de définir ce
qu’on entend par intrication pour des systèmes physiques.


Des actions à distance fantômes


En fait, une analyse soignée du phénomène montre,
comme le fit Niels Bohr, qu’il est possible de conserver à la fois la
théorie d’Einstein et les lois de la mécanique quantique si l’on admet
qu’il existe une sorte de « non-localité ». Les objets dans l’Univers
ne seraient pas fondamentalement dans l’espace et dans le temps
et c’est juste par une sorte d’effet de perspective que nous
fractionnerions une réalité constituée d’un seul bloc, et
fondamentalement au-delà de l’espace et du temps, en une série de
particules et/ou d’ondes dans l’espace et le temps.

Cela ne veut pas dire que l’espace et le temps
soient des illusions, mais juste que les images que nous avons de la
réalité avec ces concepts sont des approximations trompeuses, bien que
justes dans un certain domaine de notre expérience. Une conclusion déjà
atteinte par Platon, Kant et les philosophes hindous avec la notion de
« Maya ».


Cette conclusion est rejetée par les physiciens qui suivent les travaux de John Bell.


A gauche John Bell et à droite le prix Nobel Martinus Veltman. Crédit : CERN, AIP Emilio Segre Visual Archives.



Rappelons que c’est ce dernier qui dans les années
60 avait découvert une série d’inégalités mathématiques permettant de
savoir qui, d’Einstein ou des tenants de l’interprétation standard de
la mécanique quantique, l’interprétation de Copenhague,
avaient raison. Or, en 1982, le physicien français Alain Aspect avait
effectivement montré que le phénomène de non-localité en accord avec
les lois de la mécanique quantique orthodoxe était bel et bien une
réalité.

Dans les années 50, l'expérience originale
d'Einstein utilisant des mesures de positions et de vitesses avec des
particules de matière avait été traduite théoriquement en termes
d’expériences sur la polarisation des photons par David Bohm. Ce
sont donc ces expériences qu'Aspect et ses collègues réalisèrent. En
violant les célèbres inégalités de Bell, les bizarres « actions à
distance fantômes » (selon les mots d'Einstein) impliquées par
l’intrication quantique étaient bien là.


La cause semblait entendue mais John Bell et d’autres n’en démordirent pas. La mécanique quantique, avec les inégalités de Heisenberg, le principe de complémentarité
de Bohr, et toutes les amplitudes de probabilités qu’utilise cette
dernière ne pouvait pas être l’expression ultime de la réalité selon
leur intuition.


Bell se tourna alors vers une approche particulièrement iconoclaste de la part d’un défenseur des idées d’Einstein.


Une hypothèse iconoclaste


Et si non seulement la mécanique quantique mais
aussi la théorie de la relativité restreinte étaient fausses dans le
même sens où la théorie de Newton est fausse par rapport à ces dernières ?


Ne pourrait-il pas exister, au fond, une sorte de référentiel
absolu, un peu comme dans la physique de Newton pré-relativiste, où une
sorte de dynamique sub-quantique prendrait place avec certaines
interactions pouvant effectivement se déplacer plus vite que la lumière
?

Dans ce cas là, les images bien classiques d’ondes
et de particules dans l’espace et dans le temps, et le déterminisme,
pourraient être restaurés.


Autant dire qu’une telle éventualité semble bien peu naturelle et les derniers tests de la relativité restreinte d’Einstein montrent que celle-ci est particulièrement solide. Mais au fond, qu’en savons-nous réellement ?


La localisation géographique des expériences du groupe de physiciens Suisses. Crédit : Nature.



C’est dans ce cadre que l’on peut replacer les travaux du groupe de Nicolas Gisin à
l’Université de Genève. Utilisant les fibres optiques du réseau de
Swisscom s’étendant sur 18 km entre Satigny et Jussy dans la région de
Genève, les physiciens ont réalisé une expérience de type EPR avec des
paires de photons intriquées. En profitant de la rotation de la Terre
sur une période de 24 h, il est alors possible de tester des théories
reposant sur l’existence d’une sorte de référentiel absolu, un éther en
quel que sorte, par rapport auquel la Terre ne se déplacerait pas avec
une vitesse supérieure à un millième de celle de la lumière.


La conclusion des chercheurs est la suivante comme ils l’expliquent dans Nature
: si un tel référentiel absolu existait, la vitesse des interactions
entre particules intriquées devrait être au moins 10000 fois plus
rapide que la lumière pour expliquer les corrélations quantiques
bizarres se manifestant avec le phénomène de non-localité observé.

Record de distance pour le transfert de clé quantique de codage : 144 km



Par Jean Etienne, Futura-Sciences


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Une équipe de physiciens travaillant à l'observatoire de Roque de los Muchachos, sur l'île de La Palma, a réussi à transmettre une clé quantique de cryptographie
en utilisant l'effet EPR sur une distance de 144 km. Cette technique
pourraît ouvrir la voie à un réseau mondial de communications
quantiques. La téléportation d'états quantiques par ce moyen est aussi
enviseageable.


De telles expériences de transfert quantique de
codes avaient déjà eu lieu par le passé, mais jusqu'ici, n'avaient
jamais dépassé de grandes distances et le record pour la téléportation
d'états quantiques est quant à lui de 13 kilomètres. En décuplant
potentiellement cette valeur, c'est une amélioration sensible qui vient
d'être réalisée, et celle-ci laisse entrevoir d'autres progrès futurs,
qui pourraient déboucher sur une application pratique du procédé.


Le principe repose sur l'intrication quantique (quantum entanglement)
de deux particules, comme des photons, avec pour conséquence que toute
modification apportée à l'une d'elles se répercute instantanément sur
la seconde, et cela quelle que soit la distance qui les sépare. Dans la
pratique, une des deux particules ainsi créées est conservée sur place,
et la seconde transmise par voie optique vers un récepteur.


Dans l'expérience qui vient d'être réalisée, des paires de photons polarisés et intriqués ont été produits à l'observatoire Roque de los Muchachos.
Pour chaque paire, un des photons était mesuré sur place alors que son
jumeau était transmis à 144 km de là vers la station terrestre optique
de Teneriffe de l'ESA, utilisée comme récepteur. Une suite aléatoire de
nombres définissant une clé pour la cryptographie était alors générée
et transmise de façon totalement sûre.


Robert Ursin,
de l'université de Vienne, déclare que cette expérience démontre la
possibilité de transmettre certaines informations sensibles par
satellite par ce procédé, notamment des codes de sécurité. Et il ne
dissimule pas son rêve de pouvoir expérimenter prochainement dans
l'espace, à des distances autrement importantes. La confirmation des
corrélations quantiques EPR sur de telles distances ouvre la voie à la
possibilité de téléporter des qubits d'information en utilisant non
plus deux mais trois particules.


Cependant, l'intrication quantique n'est
actuellement contrôlable que pour les formes les plus simples de la
matière, et la téléportation porte uniquement sur de l'information. Les
scientifiques croient qu'une approche fondamentalement nouvelle sera
nécessaire si on veut un jour l'utiliser pour déplacer des personnes ou
même des objets inanimés. On ne peut donc pas encore imaginer réaliser
un système de téléportation tel que celui de Star Trek, ce que confirme
Robert Ursin : "Il s'agissait d'une simple étude de faisabilité financée par l'Agence Spatiale Européenne. En
principe, de telles expériences peuvent être utilisées pour déplacer de
l'information par téléportation entre deux endroits distants, mais
notre système n'est pas capable de transporter de la matière", ajoute-t-il. "Nous
pensons que voyager par ce moyen serait une très bonne idée de
science-fiction, mais j'ai peur que téléporter des personnes ne soit
pas possible avec la technologie actuelle. Mais il ne serait pas exclu
d'organiser l'information pour transmettre des données complexes par ce
moyen", assure-t-il.