Une expérience de physique quantique met un principe défendu par Einstein au tapis

Einstein est régulièrement cité parmi les plus grands visionnaires de l’histoire des sciences. Il n’y a qu’à regarder du côté de la relativité générale pour s’en convaincre ; près de 90 ans plus tard, cette théorie continue de se révéler incroyablement solide malgré les coups de boutoir des physiciens qui testent régulièrement ses limites (voir notre article).

Mais même ce grand monsieur n’avait pas forcément réponse à tout. Il s’est notamment fourvoyé sur le principe de localité, ou principe de causalité locale. Très vulgairement, il stipule qu’un objet ne peut être influencé que par son environnement immédiat, et ne peut pas interagir avec un autre objet distant.

Dans les années 1960, l’avènement de la physique quantique a complètement changé la façon dont les chercheurs appréhendent le monde qui nous entoure. De nombreux concepts extrêmement contre-intuitifs, aux antipodes des prévisions de la physique traditionnelle, ont commencé à émerger. Et cela a généré de vifs débats dans les hautes sphères de la discipline. En effet, les spécialistes ont été forcés de remettre en question des principes qui semblait pourtant parfaitement solides.

« Dieu ne joue pas aux dés »

Einstein, de son côté, s’est montré assez sceptique. Il ne rejetait pas la mécanique quantique en tant que telle, comme cela a souvent été affirmé, mais il avait tout de même un désaccord fondamental avec le camp opposé rassemblé autour de Niels Bohr, un autre titan de la discipline.

Pour lui, le hasard, qui joue un rôle absolument crucial en physique quantique (voir le concept d’amplitude de probabilité), ne pouvait en aucun cas être une composante fondamentale de notre monde. Ce positionnement était davantage idéologique que réellement scientifique ; Einstein était très attaché à l’idée d’un monde déterministe pour des raisons avant tout religieuses. Pour l’anecdote, ce positionnement est à l’origine de son fameux « Gott würfelt nicht » (« Dieu ne joue pas aux dés »), ce à quoi Niels Bohr aurait répondu avec une autre saillie tout aussi fameuse : « Qui êtes-vous pour dire à Dieu ce qu’il doit faire ? »

Près d’un siècle après cette prise de bec philosophico-religieuse entre génies, on constate que le principe de localité y a laissé quelques plumes. Il a même été progressivement démantelé au fil des années. Et tout récemment, un groupe de chercheurs a enfoncé un nouveau clou dans son cercueil.

Une « effrayante action à distance » qui défie la localité

Pour comprendre le cheminement qui a permis d’arriver à cette conclusion, il faut se pencher sur les prémices du raisonnement. Felix Würsten, spécialiste de la vulgarisation scientifique au prestigieux ETH de Zurich, explique que tout a commencé avec John Bell, une des figures les plus éminentes de la physique quantique.

En 1960, il a imaginé une expérience de pensée pour répondre à cette question brûlante : le principe de localité est-il effectivement valable, ou vole-t-il en éclat sous les coups de boutoir de la mécanique quantique, encore fraîche et assez nébuleuse à l’époque ?

Son idée repose sur l’intrication quantique. C’est un concept qui stipule que deux particules peuvent être reliées par un lien inextricable et indépendant de leur distance. Si l’une des deux particules subit la moindre modification, l’autre membre du tandem subira précisément les mêmes effets – même s’il est situé à l’autre bout de l’univers.

Einstein lui-même, particulièrement circonspect face à ce concept, parlait d’ailleurs d’une « effrayante action à distance ». Et on comprend aisément pourquoi ; l’intrication quantique est fondamentalement incompatible avec son principe de localité.

Pour faire la part des choses, Bell a proposé de vérifier si le comportement de deux particules en intrication quantique était compatible avec une série d’équations formulées par lui-même (on parle aujourd’hui des Inégalités de Bell). Si le principe de localité était vrai, ces expériences devraient toujours satisfaire ces équations. À l’inverse, la théorie quantique suggère que les particules intriquées violent ces inégalités.

Bell n’a jamais donné suite à cette expérience de pensée. Mais dix ans plus tard, tout a changé avec les travaux du Français Alain Aspect et de ses collègues John Francis Clauser et Stuart Freedman. Ils ont réussi à montrer que les inégalités de Bell étaient effectivement violées — un véritable séisme scientifique. Ce résultat leur a d’ailleurs valu un Prix Nobel l’an dernier.

Mais il restait tout de même quelques zones d’ombres, car la technologie n’était pas suffisamment avancée. Techniquement, le principe de localité n’était donc pas encore invalidé, même si ces travaux étaient extrêmement convaincants.

Le test de Bell le plus rigoureux à ce jour

Petit à petit, de nouvelles expériences complémentaires ont comblé la plupart de ces lacunes. Et tout récemment, Andreas Wallraff, professeur à l’ETH Zurich, a conduit un nouveau test de Bell extrêmement rigoureux qui semble avoir mis le principe de localité au tapis une bonne fois pour toutes.

Avec son équipe, il a construit une toute nouvelle installation spécialement dédiée à ce test sur le campus de l’ETH. Elle consiste en un long tube à vide d’une trentaine de mètres refroidi à une température proche du zéro absolu. À chaque extrémité, on trouve un cryostat équipé d’un circuit à base de supraconducteurs.

La longueur du tube n’est pas anodine. Elle a été calculée très précisément de façon à ce que les chercheurs aient tout juste le temps, à quelques nanosecondes près, de réaliser une mesure avant que le système ne soit perturbé par d’autres facteurs externes.

Wallraff et son équipe ont ainsi réalisé plus d’un million de mesures de ce genre. Ils ont ainsi pu documenter le phénomène le plus rigoureusement possible. C’est particulièrement important en physique quantique, qui repose en grande partie sur des probabilités statistiques.

Et après avoir analysé cette montagne de données, ils ont déterminé avec un degré de certitude extrêmement élevé que leurs deux circuits étaient effectivement intriqués. En d’autres termes, les inégalités de Bell étaient bel et bien violées dans ce cas précis. Cela signifie que le principe de localité s’écroule encore davantage – même si ces travaux ne vont probablement pas mettre fin à ce vieux débat du jour au lendemain.

Au-delà de cette confirmation importante, cette expérience pourrait contribuer au développement de l’informatique quantique. Les circuits supraconducteurs utilisés par l’équipe sont en effet considérés comme des bases de travail très prometteuses dans cette discipline. Wallraff explique par exemple que les phénomènes étudiés ici pourraient un jour permettre à des ordinateurs quantiques de communiquer sans fil à longue distance en utilisant cette fameuse « effrayante action à distance ». Comme quoi, avoir tort a parfois du bon !

Le texte de l’étude est disponible ici.

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