dualité

Si Clauser et Aspect ont utilisé l'intrication pour prouver que la mécanique quantique est aussi étrange qu'on le dit, Zeilinger a été le premier à l'utiliser comme outil. Par exemple, en 1998, son équipe a montré comment elle pouvait prendre deux paires de photons intriqués et échanger l'intrication de sorte qu'un photon de la première paire se retrouve intriqué avec un photon de la seconde - une technique qui pourrait s'avérer essentielle pour connecter des nœuds distants dans un Internet quantique inviolable. Le groupe de Zeilinger a également montré qu'il pouvait utiliser une paire de photons intriqués auxiliaires pour transférer ou "téléporter" instantanément l'état quantique exact d'un photon à un autre.

Auteur: Internet

Info: https://www.science.org, 4 oct 2022, après l'attribution du Nobel aux 3 scientifiques

[ unicité ]

recherche fondamentale

Personne ne prenait au sérieux les expériences quantiques de John F. Clauser. 50 ans plus tard, il reçoit un prix Nobel.

Le 4 octobre, John F. Clauser, 80 ans, s'est réveillé dans sa maison californienne pour apprendre qu'il avait reçu le prix Nobel de physique. Il le recevra lors d'une cérémonie à Stockholm, en Suède, le 10 décembre, avec Anton Zeilinger et Alain Aspect, pour leurs travaux sur l'intrication quantique. 

Un moment de fête pour Clauser, dont les expériences révolutionnaires sur les particules de lumière ont contribué à prouver des éléments clés de la mécanique quantique.

"Tout le monde veut gagner un prix Nobel", a déclaré M. Clauser. "Je suis très heureux."

Mais son parcours jusqu'à l'obtention du plus grand prix scientifique n'a pas toujours été simple. 

Dans les années 1960, Clauser était étudiant en physique à l'université Columbia. Par hasard, il découvrit à la bibliothèque de l'université un article qui allait façonner sa carrière et l'amener à poursuivre les travaux expérimentaux qui lui ont valu le prix Nobel.

L'article, écrit par le physicien irlandais John Stewart Bell et publié dans la revue Physics en 1964, se demandait si la mécanique quantique donnait ou non une description complète de la réalité. Le phénomène d'intrication quantique constituant le cœur de la question.

L'intrication quantique se produit lorsque deux ou plusieurs particules sont liées d'une certaine manière, et quelle que soit la distance qui les sépare dans l'espace, leurs états restent liés. 

Par exemple, imaginez une particule A qui s'envole dans une direction et une particule B dans l'autre. Si les deux particules sont intriquées - ce qui signifie qu'elles partagent un état quantique commun - une mesure de la particule A déterminera immédiatement le résultat de la mesure de la particule B. Peu importe que les particules soient distantes de quelques mètres ou de plusieurs années-lumière - leur liaison à longue distance est instantanée. 

Cette possibilité avait été rejetée par Albert Einstein et ses collègues dans les années 1930. Au lieu de cela, ils soutenaient qu'il existe un "élément de réalité" qui n'est pas pris en compte par la mécanique quantique. 

Dans son article de 1964, Bell soutenait qu'il était possible de tester expérimentalement si la mécanique quantique échouait à décrire de tels éléments de la réalité. Il appelait ces éléments non pris en compte des "variables cachées".

Bell pensait en particulier à des variables locales. Ce qui signifie qu'elles n'affectent la configuration physique que dans leur voisinage immédiat. Comme l'explique Clauser, "si vous placez des éléments localement dans une boîte et effectuez une mesure dans une autre boîte très éloignée, les choix de paramètres expérimentaux effectués dans une boîte ne peuvent pas affecter les résultats expérimentaux dans l'autre boîte, et vice versa."

Clauser décida de tester la proposition de Bell. Mais lorsqu'il voulut faire l'expérience, son superviseur l'exhorta à reconsidérer sa décision. 

"Le plus difficile au départ a été d'obtenir l'opportunité", se souvient Clauser. "Tout le monde me disait que ce n'était pas possible, donc à quoi bon !".

Le laboratoire quantique 

En 1972, Clauser a finalement eu l'occasion de tester la proposition de Bell alors qu'il occupait un poste postdoctoral au Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie. Il s'associa à un étudiant en doctorat, Stuart Freedman. Ensemble, ils mirent sur pied un laboratoire rempli d'équipement optique. 

"Personne n'avait fait cela auparavant", a déclaré Clauser. "Nous n'avions pas d'argent pour faire quoi que ce soit. Nous avons dû tout construire à partir de rien. Je me suis sali les mains, ai été immergé dans l'huile, il y avait beaucoup de fils et j'ai construit beaucoup d'électronique."

Clauser et Freedman ont réussi à créer des photons intriqués en manipulant des atomes de calcium. Les particules de lumière, ou photons, s'envolaient dans des filtres polarisants que Clauser et Freedman pouvaient faire tourner les uns par rapport aux autres. 

La mécanique quantique prédit qu'une plus grande quantité de photons passerait simultanément les filtres que si la polarisation des photons était déterminée par des variables locales et cachées.

L'expérience de Clauser et Freedman mis en évidence que les prédictions de la mécanique quantique étaient correctes. "Nous considérons ces résultats comme des preuves solides contre les théories de variables cachées locales", ont-ils écrit en 1972 dans Physical Review Letters.

Des débuts difficiles

Les résultats de Clauser et Freedman furent confirmés par d'autres expériences menées par Alain Aspect et Anton Zeilinger. 

"Mes travaux ont eu lieu dans les années 70, ceux d'Aspect dans les années 80 et ceux de Zeilinger dans les années 90", a déclaré Clauser. "Nous avons travaillé de manière séquentielle pour améliorer le domaine".

Mais l'impact de l'expérience révolutionnaire de Clauser n'a pas été reconnu immédiatement.

"Les choses étaient difficiles", se souvient Clauser. "Tout le monde disait : "Belle expérience, mais vous devriez peut-être sortir et mesurer des chiffres et arrêter de perdre du temps et de l'argent et commencer à faire de la vraie physique"."

Il a fallu attendre 50 ans pour que Clauser reçoive le prix Nobel pour son travail expérimental. Son collègue, Stuart Freedman, est décédé en 2012. 

"Mes associés sont morts depuis longtemps. Mon seul titre de gloire est d'avoir vécu assez longtemps". a déclaré Clauser

Lorsqu'on lui a demandé s'il avait des conseils à donner aux jeunes chercheurs compte tenu de sa propre difficulté initiale, Clauser a répondu : "Si vous prouvez quelque chose que tout le monde pense vrai, et que vous êtes le premier à le faire, vous ne serez probablement pas reconnu avant 50 ans. C'est la mauvaise nouvelle. La bonne, c'est que j'ai eu beaucoup de plaisir à faire ce travail." 

Auteur: Internet

Info: https://www.livescience.com, Jonas Enande, 9 déc 2022

[ agrément moteur ] [ délectation ] [ observateur dualisant ]

physique fondamentale

On m’a dit que je gaspillais mon temps 

Malgré son emploi du temps surchargé du à son prix Nobel de physique 2022 partagé avec l’Américain John F. Clauser et ­l’Autrichien Anton Zeilinger, le physicien nous a reçus et livré un entretien inédit sur ses recherches, avec la passion qui l’anime.

AM - Vous venez de recevoir le prix Nobel de physique 2022 pour vos travaux sur l’intrication qui ont permis d’appréhender le cœur de la théorie quantique. Avant de nous expliquer vos recherches, pouvez-vous nous donner un aperçu de la "physique quantique" ?

AA - La physique quantique a été développée au début du XXe siècle pour rendre compte des propriétés du monde microscopique : les atomes, les électrons… Ce que la physique classique n’arrivait pas à faire. À la fin du XIXe siècle, on savait, par exemple, que la matière était formée de charges positives et négatives qui s’attirent. Mais pourquoi, alors, cette matière ne s’effondrait-elle pas sur elle-même ? La physique classique ne pouvait apporter aucune explication.

Pour le comprendre, il a fallu recourir à la physique quantique, notamment à l’un de ses premiers concepts : la dualité onde/particule. Ainsi, un objet, par exemple la lumière, que nous décrivons comme une onde, doit aussi être considérée comme formée de grains, à savoir les photons. Réciproquement, des objets dont nous pensons que ce sont des particules – un électron, un atome, un neutron – doivent aussi, dans certaines circonstances, être considérés comme des ondes. C’est la base de ce qu’on appelle "la première révolution quantique". Cela a permis de comprendre la stabilité de la matière, la conduction du courant électrique ou la façon dont la matière émet ou absorbe la lumière.

Et puis dans les années 1940-1960, ce fut l’invention du transistor et du laser qui s’appuyaient sur cette théorie quantique. Ces deux technologies n’ont pas été élaborées par un bricoleur dans un garage en Californie, mais par les plus grands physiciens de l’époque qui ont eu des prix Nobel. Une fois qu’on a le transistor, on a les circuits intégrés à la base des ordinateurs.

AA - Et qu’appelle-t-on deuxième révolution quantique ?

AA - Elle a été lancée par un article d’Albert Einstein, de Boris Podolsky et de Nathan Rosen en 1935. Ils découvrent dans les équations mathématiques de la physique quantique des états où deux particules qui ont interagi, mais qui n’interagissent plus, semblent continuer à former un tout inséparable. C’est ce que l’on appellera l’"intrication". Dès le début, le physicien Niels Bohr s’était opposé aux conclusions d’Einstein. Son homologue John Bell a alors proposé, en 1964, de faire des expérimentations pour trancher la discussion.

Il a ensuite fallu plusieurs décennies pour que les autres physiciens réalisent la portée des travaux de Bell. Quand j’ai commencé ma thèse en 1974, nombre d’entre eux pensaient que l’intrication n’était pas différente de la dualité onde/particule. Puis, on a pris conscience de sa nouveauté. C’est pourquoi je parle d’une "deuxième révolution quantique", d’abord sur le plan de la recherche fondamentale, mais également sur les nouvelles applications que cela a suscitées, comme la cryptographie ou les ordinateurs quantiques.

AM - Comment a-t-on validé ce phénomène "d’intrication" ?

AA - Il fallait créer une paire de photons et une méthode pour montrer que, même éloignés, les deux photons demeuraient corrélés. Le photon, c’est de la lumière et la lumière a une polarisation. Un polariseur est un instrument d’optique qui a deux sorties associées à l’orientation de son axe : tout l’objet du test est de regarder comment les résultats dépendent de cette orientation. Si les polariseurs sont parallèles, vous avez une corrélation parfaite, vous trouvez les mêmes résultats des deux côtés. Imaginez que je lance deux pièces à 10 mètres de distance l’une de l’autre, ça a l’air aléatoire, mais si j’ai pile d’un côté, j’ai pile de l’autre, et si j’ai face d’un côté, j’ai face de l’autre. C’est la corrélation prévue pour les photons intriqués. Et cette corrélation est si forte qu’on ne peut en rendre compte que par la physique quantique.

AM - Quelles expériences ont été réalisées pour établir cette intrication ?

AA - La première expérience a été faite par John Clauser et Stuart Freedman en 1964. Celles que j’ai faites dix ans plus tard et celles qu’Anton Zeilinger a effectuées seize ans après moi ont des niveaux de raffinement différents, mais portent sur des objets identiques : il s’agit de deux photons émis par la même source et qui s’éloignent l’un de l’autre dans des directions opposées. J’ai mis cinq ans à fabriquer ma source. J’ai commencé en 1974 et les premières paires de photons intriqués ont été obtenues vers 1979-1980. Pour ce faire, je prends des atomes, je tape dessus avec des lasers, je les "excite" de façon contrôlée, et ils n’ont pas d’autre choix que d’émettre les deux photons dont j’ai besoin.

Après l’émission des photons et avant leur détection, il faut que les deux polariseurs soient éloignés l’un de l’autre et que leur orientation soit déterminée au dernier moment afin qu’ils ne s’influencent pas. Ainsi, mes deux polariseurs sont distants de 6 mètres de la source et je change leur orientation pendant le temps de vol des photons qui est de 20 nanosecondes… Comment tourner un appareil en 20 milliardièmes de seconde ? C’est impossible, mais j’ai eu l’idée de construire une espèce d’aiguillage capable de le faire et l’expérience a réussi.

AM - D’où vient votre passion pour la physique ?

Je suis originaire du village d’Astaffort (Lot-et-Garonne) à une époque où les champs étaient labourés avec le cheval ou les bœufs, mais j’étais fasciné par le moindre objet technique, par exemple les outils des artisans. Je me souviens de la visite, à Fumel, d’un haut-fourneau qui fournissait de la fonte transformée en tuyaux comme ceux que j’avais vu poser dans mon village pour installer l’eau courante. À l’école primaire, les instituteurs et institutrices faisaient ce que l’on appelait des "leçons de choses". J’étais aussi un grand lecteur de Jules Verne.

Arrivé au lycée d’Agen, je me réjouissais à l’idée de faire de la physique-chimie, mais on ne commençait qu’en seconde. J’ai eu alors un professeur formidable, Maurice Hirsch, qui nous faisait des expériences extraordinaires. Il a décuplé mon intérêt pour la physique et m’a enseigné des méthodes que j’ai conservées toute ma vie.

AM - Quels conseils donneriez-vous aux jeunes qui souhaiteraient se lancer dans votre discipline ?

AA - Il est clair qu’il y a un problème de moyens financiers. La loi de programmation de la recherche fait des propositions intéressantes, mais quand on regarde les budgets associés, ils sont inférieurs à ce que l’Académie des sciences avait estimé être le minimum pour que la recherche française puisse rester au niveau des concurrents étrangers. Les crédits de base, y compris ceux de l’Agence nationale de la recherche, sont décevants, même s’ils ne sont pas négligeables. Heureusement, on peut obtenir des crédits européens pour des projets innovants jugés au meilleur niveau, mais seul un petit nombre de chercheurs peut en bénéficier.

On me demande souvent si, aujourd’hui, on pourrait faire la même chose que ce que j’ai fait dans les années 1970-1980. Certainement pas de la même façon, mais un chercheur titulaire peut se lancer dans un projet de recherche original. Au pire, sa carrière sera freinée mais, moi aussi, je courais ce risque. Comme j’avais un poste permanent, je pouvais me lancer dans une recherche à long terme sans craindre de perdre mon emploi d’enseignant-chercheur.

On m’a dit que je gaspillais mon temps, que mon sujet n’avait aucun intérêt, mais je gardais mon emploi. Il en est toujours de même. Si un scientifique du CNRS ou de l’université se lance dans une recherche ­désapprouvée par les comités, il peut persévérer s’il accepte un certain retard de carrière. Bien sûr, si au bout de dix ans son travail n’a débouché sur rien, il doit se remettre en cause, les comités n’avaient peut-être pas tort.

Auteur: Aspect Alain

Info: Interviewé par Anna Musso pour https://www.humanite.fr, 8 Novembre 2022

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