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Prix Nobel de physique décerné à Alain Aspect : Les explications de Thomas Durt, enseignant chercheur en physique quantique à Centrale Méditerranée

Published on 05 October 2022

L’Académie suédoise des sciences a décerné au Français Alain Aspect, à l’Américain John Clauser et à l’Autrichien Anton Zeilinger le prix Nobel de physique pour leurs travaux autour de la mise en évidence de l’intrication des particules.

 

Qu’est-ce que l’intrication des particules ?

Je parle dans mes cours des travaux d’Alain Aspect. J’aborde systématiquement l’intrication  lors du dernier cours de physique quantique de première année. Il est alors question de « violation des inégalités de Bell ». C’est l’idée selon laquelle, il existe des corrélations mystérieuses entre deux systèmes quantiques qu’on dit « intriqués ». Mystérieuses car ces corrélations ne dépendent pas de la distance entre les deux systèmes. Ils sont corrélés comme s’ils étaient l’un à côté de l’autre alors qu’ils sont distants de quelques mètres ou même d’un millier de kilomètres.

En d’autres termes, c’est une forme de télépathie qu’on ne comprend pas pleinement, qui est difficile à concevoir dans une approche classique. C’est comme si les particules que l’on étudie communiquaient plus vite que la lumière, instantanément. Une expérience réalisée en 2000 a montré que cette « communication » allait au moins à 700 000 fois la vitesse de la lumière. Les systèmes quantiques ont cette propriété que l’on appelle la non localité, c’est une propriété très importante. Même si on ne la comprend pas, on sait qu’elle est là.

 

En quoi ont consisté les travaux d’Aspect, de Clauser et de Zeilinger ?

Les trois scientifiques qui ont reçu le Nobel cette année ont fait des expériences importantes pour vérifier ces corrélations : John Clauser dans les années 1970 aux États-Unis, Alain Aspect a réalisé une expérience en 1982 où les bases de mesure en polarisation des photons (particules élémentaires étudiées) intriqués étaient modifiées à une vitesse telle qu’un signal ne pouvait se propager entre les deux photons. Il a réalisé cette expérience dans la cave de l’Institut d’Optique à 13 mètres de distance. Plus récemment, Anton Zeilinger a réalisé cette expérience sur une distance de 144km dans les Canaries.

Depuis ces trois expériences fondatrices, une équipe chinoise a même envoyé des photons via des satellites au-dessus de deux villes distantes de 1000 km. Depuis bientôt 50 ans, diverses variantes de ces expériences ont été réalisées avec, à chaque fois, un contrôle accru des différents paramètres (efficacité des sources et détecteurs, configuration spatio-temporelle, etc.)


© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

 

Vers quoi ouvrent ces travaux ?

Derrière ce prix Nobel, il y a le travail d’une voire deux générations de physiciens quantiques. Ces travaux ont ouvert la voie à l’information quantique, autrement dit l’ordinateur quantique, la cryptographie quantique, les communications quantiques.

Depuis quarante ans, nous avons utilisé cette propriété de non localité comme ressource, notamment pour envoyer des messages secrets en cryptographie ou pour téléporter des informations quantiques. Ce n’est pas comme dans Star Trek où on téléporte de la matière, ici on téléporte de l’information. C’est assez excitant !

Quand j’introduis mon cours de mécanique quantique, j’explique que la réalité quantique est étrange et parfois déconcertante. Le monde n’est pas une horloge suisse, on ne peut pas tout comprendre. En physique quantique, le hasard joue un rôle important. Cela fait partie des règles de la mécanique quantique. Du point de vue philosophique, c’est dérangeant mais du point de vue mathématique, c’est parfaitement compris. Il s’agit de la plus précise de toutes les théories physiques mais elle donne lieu à bon nombre de paradoxes.

La bonne nouvelle, c’est que nos étudiants pourront bientôt toucher du doigt ces « bizarreries ». Dans le cadre du plan quantique, nous avons reçu des financements pour investir dans un dispositif qui va reproduire l’expérience d’Aspect avec les photons intriqués. Ils seront séparés de quelques mètres sur une table. Ce dispositif interviendra dans le cursus de nos étudiants en deuxième et troisième années.

 

Pour aller plus loin

- Découvrez le projet QuanTEdu-France porté par Thomas Durt à Centrale Méditerranée

- Les travaux récompensés cette année expliqués par le comité Nobel (en anglais)