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La physique quantique

L'interprétation de la physique quantique (I)

Venons-en finalement au principal objet de ce dossier consacré à la physique quantique[1]. Si la physique quantique est la meilleure théorie-cadre dont nous disposons à l'heure actuelle pour expliquer le monde microscopique et les propriétés du champ, il n'en demeure pas moins qu’elle se différencie très fortement des théories de la physique classique du fait qu’elle est enveloppée dans ce fameux "flou quantique" lié aux relations d’incertitudes de Heisenberg. Toute personne intéressée par ce sujet se demande un jour ou l'autre quel sens il faut donner à la physique quantique et ses étranges propriétés ? En analysant les implications épistémologiques des relations d’incertitudes, cette relation appelle une "théorie quantique de la mesure".

Nous pouvons dire, sans nécessairement y souscrire, que puisque les instruments d'analyse sont constitués de particules qui obéissent aux lois quantiques, l'équation de Schrödinger s'applique également aux dispositifs de mesures, du photomultiplicateur au spectroscope, et peut-être même à l'expérimentateur qui observe l'évènement. Cette théorie implique que tout l'univers peut-être, interagit avec la matière. Ou plus exactement, il faut tenir compte d'une infinité de particules pour préciser l'état quantique de l'une d'elle.

Les physiciens en viennent ainsi à établir une équation d'onde pour l'ensemble formé par les particules à analyser et l'outil de détection. Ils aboutissent à une fonction d'onde extrêmement complexe qui inclut une superposition d'états quantiques, en fait tous les évènements qui peuvent statistiquement se produire pour l'ensemble du système (particule émise ou non et simultanément dispositif de mesure enclenché on non).

Première image d'une intrication quantique entre deux photons. Document P.-A. Moreau et al./U.Glasgow (2019).

En 1970, le physicien Bryce DeWitt émit l'hypothèse que dans ce cas il fallait bien à un moment ou un autre “réduire” le paquet d'ondes de manière à ce qu'un seul état subsiste, celui confirmé par la réalité. A cet instant du calcul, l'équation de Schrödinger s'effondre, le système décohère et chacun de ses composants reprend son libre arbitre. Car si la réalité quantique n'est plus mise en doute, il faut bien expliquer le comportement, a priori déterministe, de la réalité macroscopique qui nous entoure...

Mais compte-tenu de ce que nous savons des concepts de la physique quantique, est-il seulement possible d'expliquer la réalité ou tout le moins d'interpréter correctement les expériences de laboratoire où nous rencontrons tout le temps des paradoxes ?

Le physicien en a l'habitude et les considère comme faisant partie des conditions de l'expérience. Mais pour l'observateur extérieur,  peu familier avec les principes paradoxaux de la mécanique quantique (par rapport à la mécanique classique), cela n'a rien d'évident.

Aussi, pour certains lecteurs et lectrices, cette partie du dossier sur la physique quantique sera peut-être l'une des plus complexes à comprendre mais l'une des plus intéressantes aussi. Non pas qu'il y soit fait moulte usage de notations mathématiques, mais du simple fait que l'interprétation des résultats expérimentaux est un domaine où l'amateur peut rapidement perdre pieds. C'est pourquoi, de temps en temps, nous insisterons sur certaines notions, quitte à réexpliquer les conclusions en d'autres termes pour que vous compreniez bien toutes leur importance.

Nous allons passer en revue quelques expériences importantes qui ont longtemps intrigué les physiciens, des paradoxes aujourd'hui classiques dont l'interprétation fera encore longtemps écho dans les couloirs des laboratoires. Enfin, aussi longtemps devrions-nous préciser que l'interessé ne prend pas soin de se rappeler les limites du domaine de validité de la physique quantique. Mais nous verrons que ce n'est pas aussi simple que cela sinon il n'y aurait plus de paradoxes et tout le monde comprendrait parfaitement la physique quantique et n'y trouverait rien d'étrange. Or cela fait plus d'un siècle que des générations de physiciens des particules se cassent la tête sur ces paradoxes. A notre tour, essayons de comprendre l'incompréhensible.

Le chat de Schrödinger

En 1935, Erwin Schrödinger[2] avait déjà expliqué l'apparent non-sens de la mécanique quantique par le paradoxe du "chat de Schrödinger", expérience imaginaire maintes et maintes fois citée dans tous les ouvrages de mécanique quantique car elle met le doigt sur l'interprétation des phénomènes quantiques et le problème de la mesure. L'expérience est la suivante.

Dans une pièce fermée se trouve un chat, une fiole de cyanure, un marteau retenu par un fil et un détecteur quantique (un compteur Geiger). On y dépose un élément radioactif dont la période est de 60 minutes (c'est-à-dire qu'au bout d'une heure, l'atome a 50% de chance de se désintégrer). Son émission radioactive est enregistrée par le détecteur. Au bout d'une heure exactement, le dispositif de mesure provoque la rupture du fil qui maintient le marteau et ce dernier brise la fiole de poison. Le résultat est la mort du malheureux chat.

Le chat de Schrödinger

L’indéterminisme quantique, quand il est appliqué aux objets macroscopiques stipule que tant que nous n’avons pas observé le système, nous ignorons l’état dans lequel se trouve le chat; il est donc dans une superposition d’état vivant et mort car la particule n’a statistiquement que 50% de chance de se désintégrer au terme de l’expérience. En réalité il n’y a pas de paradoxe car en observant la scène on constate qu’il y a eu réduction du paquet d’ondes, l’évènement de désintégration de la particule instable s’est produit, entraînant la mort du chat. Les deux résultats ne peuvent plus interférer.

Si la mécanique quantique s'applique dans ce cas, non seulement à la particule mais à tout ce qui coexiste dans la pièce, selon les lois statistiques des probabilités, lorsque l'heure est écoulée le chat doit se trouver dans un état indéterminé, ayant 50% de chance d'être vivant et 50% de chance d'être mort. Le chat doit donc être à la fois vivant et mort, la fiole étant à la fois entière et brisée, bref aucun des objets présent dans la pièce n'est jamais, à aucun instant, dans une superposition quantique cohérente. On parle d'intrication ou d'imbrication quantique maximale.

On peut même prétendre aux côtés du physicien Eugène Wigner (1902-1995) que jusqu'au moment où quelqu'un contrôle l'observateur qui regarde dans la pièce ou lit la mesure, l'observateur existe dans les deux états : le premier où il vit le chat vivant, et celui où il trouva le chat mort. Et ainsi de suite. Cette parabole est tellement connue que même l'observateur a été baptisé "l'ami de Wigner" ! Or, en regardant le résultat de l'expérience, le chat est bien mort, il y a eut à un instant donné réduction du paquet d'ondes en un seul état, l'éclat de la fiole de poison et la mort du chat. Si les mathématiques peuvent décrire complètement les évènements, il est très difficile d'accepter que le simple fait d'avoir jeté un oeil dans la pièce ait provoqué ce changement radical des états quantiques. On peut aussi en conclure que cette façon de raisonner est absurde car elle minimise le rôle de l'ami de Wigner à celle d'une particule et où seul Wigner aurait droit à une conscience pour une raison arbitraire, puisque lui seul provoque la réduction du paquet d'ondes.

En fait dans l'interprétation de Schrödinger, toutes les particules du chat vivant et du chat mort sont dans des états orthogonaux, mais qui en réalité n'ont rien d'obligatoire. De plus la superposition d'états progresse d'un système microscopique (le noyau radioactif) vers le macroscopique, selon une chaîne de von Neumann (une récurrence infinie allant du microscopique au macroscopique sans que l'équation de Schrödinger en elle-même n'y mette de limite) qui tend de plus en plus à se ramifier dans l'environnement, sans jamais se résoudre en une de ses composantes, ce qui constitue précisément le paradoxe de cette expérience. Si cette thèse s’avère exacte, il nous manque donc une théorie de la conscience.

La fonction d’onde selon von Neumann

Si l’univers entier interagit avec le monde quantique, en 1932 John von Neumann proposa de considérer la fonction d’onde comme constituée d’autant de fonctions d’ondes qu’il y a d’intervenants et chacune d’elle comptée deux fois pour symboliser les deux états quantiques possibles. La fonction d’onde ψ complète serait donc le produit de la fonction d’onde du système quantique, de celle du détecteur et de celle de l’observateur, chacune dans leurs deux états. Elle est appelée la "chaîne de von Neumann" et constitue une récurrence infinie allant du microscopique au macroscopique. C’est le “problème de la mesure”.

Nous pouvons l’écrire de façon symbolique, nous limitant à une fonction d’onde (une particule, un détecteur et un observateur) dans chaque système, avec l’opérateur du produit scalaire, ↑ et ↓ les deux états quantiques de chaque système, les indices S pour le système quantique, M pour le détecteur et O l’observateur :

s + ψs↓) m↑+ ψm↓) o↑ + ψo↓) → Σ(ψs ψm ψo↑) + Σ(ψs ψm ψo↓) + Σ (ψs ψm ψo↑) + Σ(ψs ψm ψo↓) + Σ (ψs ψm ψo↑) + Σ (ψs ψm ψo↓) + Σ (ψs ψm ψo↑) + Σ (ψs ψm ψo↓)

Sachant que chaque système se définit par au moins 6 paramètres pour déterminer sa position et son impulsion dans l’espace, nous devons jongler avec 144 dimensions dans le cas présent... !

Pour éviter cet apparent non-sens, Schrödinger s'explique en disant que la mécanique quantique ne s'applique qu'aux objets de la taille des atomes. A cette échelle, les particules peuvent être dans différents états simultanément. Mais à l'échelle macroscopique, la matière et l'énergie sont étroitement liés à des choix particuliers et sont influencés par l'effet de la gravitation, permettant à la nature d'appliquer les "vieilles" lois de la physique classique qui viennent surpasser les effets quantiques. Et en effet, jusqu'à présent personne n'a jamais vu l'aiguille d'un appareil de mesure afficher deux valeurs, des enregistrements graphiques traçer une double mesure ou tout un laboratoire dans une superposition de deux états macroscopiques différents !

L’interprétation de l’école de Copenhague

Avant de poursuivre, il faut insister sur cette interprétation car comme d'autres expériences de cet acabit, elle souleva bien des critiques tant de la part des chercheurs que des philosophes. En effet, à l'époque des balbutiements de la mécanique quantique, les règles de calcul de la fonction d’onde donnaient a priori des solutions déterminées mais qui pouvaient être interprétées de façon totalement différentes :

- Soit on considère comme Bohr et Heisenberg que ce principe fait loi et qu'il est préférable de ne pas rechercher l’interprétation ultime. C’est une attitude qui est admise par la plupart des physiciens. Mais en choisissant de rester sur leurs acquis, ils ne risquent pas de résoudre les paradoxes de la physique. Ce n'est donc pas la bonne méthode de travail.

- Soit on considère que la physique quantique est une théorie incomplète et certains, tels Einstein, Wigner, Wheeler, Penrose ou Bohm n'ont pas hésité à rechercher d’autres solutions, stériles jusqu'à présent.

Hugh Everett III dans les années 1970. Document Mark Everett.

Hugh Everett III et bien d'autres physiciens prennent l'équation de Schrödinger très au sérieux, la considérant comme une représentation de la réalité. Ils considèrent que l'interprétation de l'école de Copenhague représente réellement l'évolution de la fonction d’onde. Les différents termes de l'équation correspondraient aux différents niveaux d'énergie dans lesquels se trouvent le système. La réduction du paquet d'ondes s'interpréterait comme une division totale de l'objet et de l'instrument de mesure dans des univers parallèles ou multiples.

En fait, à l'époque des premiers développements de la mécanique quantique, le paradoxe du chat de Schrödinger trouvait son origine dans le fait que les physiciens ne connaissaient pas encore son domaine d'applicabilité. Aujourd’hui, cette histoire n'a plus aucune interprétation quantique. Les seuls systèmes considérés en mécanique quantique sont à énergie totale constante et quasi-stationnaire, ce qui était nullement le cas dans l'expérience imaginée par Schrödinger.

Encore aujourd'hui, l'histoire du paradoxe du chat de Schrödinger énerverait probablement le physicien avec lequel vous en parleriez. Comme un leithmotiv, cette histoire est citée par tous, comprise par bien peu et dès lors argumentée par de pseudo arguments scientifiques; le discours en devient vide de sens et dérive rapidement vers les pseudosciences ! Rendons donc à César ce qui lui appartient et à l'histoire de la physique quantique son chat de Schrödinger.

En revanche, l'expérience de la double fente de Young et le paradoxe EPR (voir page suivante) ont remis en question l'interprétation de l'école de Copenhague et les certitudes de Bohr en mettant le doigt sur le problème de "l'effet de l'observateur" qui ne trouve aucune explication rationnelle, c'est-à-dire dans le cadre de la physique quantique.

Pour résoudre ce problème, une poignée de chercheurs évoquent la "conscience quantique" mais malheureusement, comme la théorie des univers multiples, elle n'est soutenue par aucune physique ni aucune expérience pouvant la valider. Si affirmer un fait ou un lien de causalité est à la portée de tous, le démontrer exige une démarche un peu plus sérieuse !

Quant aux trucs d'illusionistes soi-disant magiques et autres occultistes évoquant des phénomènes paranormaux (par exemple la psychokinésie où l'esprit agirait sur la matière, la télépathie qui agirait à distance ou la prémonition capable d'anticiper ou prévoir les évènements), par définition ils ne sont que des illusions ou des procédés reposant sur des "secrets" qui n'ont rien de sorcier, n'en déplaise aux magiciens de cabaret, mentalistes et autres marabouts !

En résumé, actuellement l'influence de la conscience sur les phénomènes quantiques n'est pas démontrée et l'effondrement de l'intrication quantique apparemment en présence d'un observateur reste un mystère total. Mais il existe peut-être un espoir de sortir du tunnel même si le chemin est encore long grâce aux dernières expériences conduites par des chercheurs finlandais.

Comment sauver le chat de Schrödinger ?

Le physicien Zlatko Minev de l'Université de Yale et ses collègues ont trouvé un moyen de résoudre le problème de l'imprédictibilité des qubits (leur contenu en information) et l'air de rien cela à des conséquences sur le problème de l'intrication quantique et... de la survie du chat de Schrödinger.

Document "Popular Mechanics", Oct.1997.

Dans une étude publiée dans la revue "Nature" en 2019, les chercheurs ont démontré que l'évolution de chaque saut quantique d'un niveau stable à un niveau excité est continu, cohérent et déterministe. Les chercheurs sont parvenus "à exploiter ces propriétés, en utilisant la surveillance et la rétroaction en temps réel, pour attraper et inverser les sauts quantiques à mi-vol, empêchant ainsi leur réalisation de manière déterministe."

Concrètement, appliqué à la désintégration d'un atome, les chercheurs ont découvert non seulement le moyen de capturer un atome au milieu d'un saut quantique, mais également comment inverser ce saut pour que le changement d'état ne se produise pas. Autrement dit, les chercheurs ont pu détecter l'évènement et empêcher la désintégration de l'atome, sauvant pour ainsi dire le chat de Schrödinger.

Selon les chercheurs, "cette découverte établit de nouvelles fondations dans l'exploration des techniques d'intervention en temps réel pour contrôler les systèmes quantiques, telles que la détection précoce des syndromes d'erreurs dans le processus de correction d'erreur quantique." En effet, dans le cadre de l'informatique quantique, plus un ordinateur quantique possède de qubits, plus il risque d'y avoir des erreurs quantiques.

Rappelons qu'un an plus tôt, une équipe internationale de chercheurs (cf. G.B.Lesovik et al., 2018) était parvenue à enfreindre le sacro-saint deuxième principe de la thermodynamique au niveau quantique en créant artificiellement un état du système qui se développait de lui-même dans le sens inverse du point de vue thermodynamique. En manipulant les qubits jusqu'à créer un désordre total, les chercheurs sont ensuite parvenus un bref instant à rétablir les qubits dans leur état originel.

Ces deux expériences sont donc d'excellentes nouvelles à la fois pour tous les chats imaginaires mais aussi pour l'avenir de l'informatique quantique.

L'intrication quantique à l'échelle macroscopique

Pour la première fois, en 2018 des chercheurs sont parvenus à créer et stabiliser une intrication quantique à l'échelle macroscopique. L'équipe de Mika Sillanpää de l'Université d'Aalto en Finlande a publié dans la revue "Nature" les résultats d'une expérience quantique menée depuis 2014 consistant à créer et maintenir un enchevêtrement quantique entre deux petits tambours métalliques en vibrations mesurant 15 microns soit 0.015 mm, c'est-à-dire à peine plus petit que le diamètre d'un cheveux (50-100 microns). Ces deux oscillateurs électromécaniques contiennent quelque 1012 atomes.

Illustration de l'expérience conduite par l'équipe de Mika Sillanpää avec deux tambours intriqués vibrant à une fréquence ultrasonique. Document Petja Hyttinen et Olli Hanhirova/ARKH Architects.

Pour imbriquer quantiquement les deux minuscules tambours fixés sur un chip de silicium, les chercheurs ont utilisé un circuit hyperfréquence isolé du monde extérieur pour forcer les deux objets à s'enchevêtrer. Pour éviter toute perturbation environnementale et notamment thermique, ils ont isolé les deux objets par un champ magnétique et utilisé des supraconducteurs refroidis près du zéro absolu, ne laissant subsister que les vibrations quantiques des deux objets. Ensuite, grâce à des vibrations ultrasoniques, les chercheurs ont enchevêtré quantiquement les tambours et à leur étonnement, l'intrication s'est maintenue pendant une demi-heure.

Selon Sillanpää, l'expérience est reproductible avec d'autres objets macroscopiques. S'il existe une limite à la taille des deux objets intriqués, la dimension maximale reste inconnue bien qu'on sache tous (du moins en nous basant sur notre expérience) contrairement à ce que pensait Schrödinger qu'aucun chat ne s'est jamais retrouvé dans deux états simultanément.

En se fondant sur les expériences antérieures d'intrication quantique, on sait par exemple que la superposition d'états est détruite par le flux continu des neutrinos solaires en moins d'une picoseconde (10-12 s). Un tel phénomène n'est donc jamais visible dans la nature mais uniquement dans des conditions contrôlées de laboratoire ou des dispositifs conçus dans ce but (cf. les qubits des ordinateurs quantiques).

L'expérience conduite par l'équipe de Sillanpää montre qu'il est possible de créer une intrication quantique à l'échelle macroscopique. Cela veut dire qu'on peut observer (visuellement) la physique quantique en action et enfin tenter de comprendre la physique quantique et son interaction avec la gravitation.

Beaucoup plus tard, Sillanpää pense que cette découverte pourrait permettre de "construire un Internet quantique qui reliera des ordinateurs quantiques distants grâce à des particules ou des objets intriqués. Les tambours vibrants peuvent servir de tels composants, convertissant les qubits d'un processeur quantique en informations quantiques. En recherche fondamentale, on pourrait améliorer la sensibilité des systèmes de détection d'ondes gravitationnelles existants".

Si l'intrication quantique semble possible à l'échelle macroscopique, tentons de savoir si elle est possible entre des photons et des organismes vivants.

L'intrication quantique des organismes vivants, info on intox ?

Intrication de bactéries

Les scientifiques ne s'entendent pas sur la limite entre le monde ordinaire et le monde quantique - ou même si cette "coupure de von Neumann" existe réellement. Selon la théorie quantique actuelle, il n'y a pas de limite à l'intrication quantique. Ce qui fonctionne pour un proton devrait fonctionner pour une bactérie ou un éléphant. Mais dans la pratique, les systèmes macroscopiques sont beaucoup plus difficiles à intriquer. Les scientifiques supposent que les êtres vivants par exemple sont tout simplement trop complexes pour subir cet effet. En réalité, on n'en sait rien car il n'y a aucune loi spécifique l'interdisant. Toutefois, la plupart des physiciens sont d'accord pour dire qu'il est a priori impossible d'intriquer des êtres vivants.

Ce genre de conclusion intuitive n'est guère appréciée des scientifiques qui veulent des preuves. Deux expériences ont justement été réalisées pour tenter de découvrir ce genre de preuve.

La physicienne Chiara Marletto de l'Université d'Oxford en Angleterre et ses collègues ont publié en 2018 un article dans "The Journal of Physics Communications" dans lequel ils déclarent qu'il n'y a aucune raison de penser qu'il y ait une limite à la taille des effets quantiques.

Pour la majorité des physiciens, la théorie quantique n'est pas une théorie universelle et ne s'applique pas aux objets macroscopiques car la fonction d'onde intriquée s'effondrera à un moment donné. Mais Marletto est persuadée de pouvoir démontrer qu'en réalité, ce n'est pas le cas.

À cette fin, Marletto et ses collègues ont relu un article publié en 2017 dans la revue "Small" dans lequel une équipe de chercheurs dirigée par David Coles de l'Université de Sheffield en Angleterre déclara avoir créé un couplage quantique avec des bactéries photosynthétiques sulfureuses thermophiles. Comme illustré ci-dessous, ils ont suspendu une solution de quelques centaines de bactéries Chlorobaculum tepidum dans une microcavité entre deux miroirs réfléchissant la lumière. Selon la taille de la cavité, une seule longueur d'onde subsista, celle de la fréquence de résonance. Au fil du temps, six des bactéries semblaient développer une connexion quantique avec la lumière. Ainsi, la fréquence de résonance de la lumière à l'intérieur de la microcavité semblait se synchroniser avec la fréquence à laquelle les électrons sautaient dans et hors de leur position à l'intérieur des molécules photosynthétiques des bactéries (cf. l'explication en vidéo ci-dessous).

A voir : Semiconductor Exciton Polaritons, U.Sheffield, 2014

A gauche, microphotographie optique de bactéries photosynthétiques thermophiles Chlorobaculum tepidum. La barre d'échelle représente 1 micron. A droite, schéma de l'expérience réalisée à l'Université de Sheffield avec une microcavité constituée d'une solution de bactéries suspendue entre deux miroirs métalliques semi-transparents, dont l'un est sur un socle surélevé. Documents D.Coles et al. (2017) adaptés par l'auteur.

Sur base de cette expérience, Marletto et ses collègues ont construit un modèle théorique de ce qui se serait passé dans cette expérience faite à l'Université de Sheffield et ont démontré que ces bactéries peuvent effectivement être quantiquement intriquées avec des photons.

Selon Marletto et ses collègues, leur modèle montre que cet effet impliquait probablement plus que le simple couplage quantique. Il se passait probablement quelque chose de plus étrange que ce que ces expérimentateurs ont décrit. La bactérie s'est probablement enchevêtrées avec la lumière, créant une intrication quantique. Comme le chat de Schrödinger intriqué dans sa boîte, tout le système semblait exister dans un état quantique : les photons semblent avoir simultanément touché et manqué les bactéries.

Mais cela ne prouve pas que les bactéries et la lumière étaient réellement intriquées car il existe d'autres explications possibles dans le cadre de la physique classique qu'on ne peut pas encore exclure. Selon Marletto, "Ce qui manque dans cette expérience, c'est la capacité de confirmer l'enchevêtrement de manière plus profonde".

Dans ce cas-ci il aurait fallu mesurer les caractéristiques physiques des bactéries en même temps que celles de la lumière. Cela n'a pas été possible dans cette expérience, mais Marletto déclara que des expériences ont déjà été conçues dans ce but et pourraient démontrer qu'il y a une véritable intrication.

Plus intéressant encore, Marletto aimerait savoir si les bactéries utilisent l'intrication quantique d'une manière qui leur profite, bien que répondre à cette question nécessiterait beaucoup plus de travail expérimental. Selon Marletto, "Il est possible que la sélection naturelle ait conduit les bactéries à tirer parti des effets quantiques".

En 2022, aucune expérience n'avait réussi à prouver que des bactéries pourraient s'intriquer avec des photons.

Intrication de tardigrades

Un pas de plus aurait été franchi par Kaisheng Lee de l'Université technologique de Nanyang à Singapour et ses collègues qui seraient parvenus à intriquer un tardigrade avec un qubit (cf. K.Lee et al., 2021).

Pour mener à bien leur expérience, les chercheurs ont collecté trois tardigrades Ramazzottius varieornatus dans une gouttière au Danemark. Dans leur état animé, les tardigrades mesuraient entre 0.2 et 0.45 mm. Ils furent ensuite mis en état de cryptobiose et formèrent des "tuns".

Ensuite, les chercheurs ont refroidi les tardigrades jusqu'à 10 mK soit -273.14°C - une fraction de degré au-dessus du zéro absolu - sous une pression de 6x10-6 mbar. Ils ont placé chaque tardigrade congelé entre les deux plaques du condensateur d'un circuit supraconducteur formant un qubit. Lorsque le tardigrade est entré en contact avec le qubit (nommé Qubit B), il décala la fréquence de résonance du qubit. Ce "tardigrade-qubit" hybride fut ensuite couplé à un deuxième circuit voisin (Qubit A), de sorte que les deux qubits se sont intriqués.

Au cours de plusieurs tests qui suivirent, les chercheurs ont constaté que la fréquence des qubits et du tardigrade changeait en tandem, ressemblant à un système enchevêtré en trois parties.

Dix-sept jours après que les tardigrades soient entrés en état de stase, les chercheurs les ont doucement réchauffés et réhydratés pour tenter de les réanimer. L'un des tardigrades est revenu à son état normal mais les deux autres sont morts. Selon les auteurs, ce survivant est devenu le premier animal quantiquement enchevêtré de l'histoire.

Schéma de l'expérience réalisée à Singapour. a) Un tardigrade en cryptobiose est posé entre les plaques d'un condensateur shunt, légèrement décalé du qubit B transmon (qubit de charge) de la jonction Josephson. L'animal resta attaché à un petit morceau de papier filtre pendant l'expérience. Le qubit A est sur la face inférieure et est couplé capacitivement au qubit B. Le chip complet est placé dans une cavité en cuivre 3D montée à l'intérieur d'un réfrigérateur à dilution et connecté à une sonde via un circuit électronique micro-ondes standard. b) Schéma électrique des deux qubits et du tardigrade. c) Le seul tradigrade qui survécut à l'expérience sur le qubit transmon. Document K.Lee et al. (2021) adapté par l'auteur.

Selon les auteurs, "Bien que l'on puisse s'attendre à des résultats physiques similaires avec des objets inanimés de composition similaire au tardigrade, nous soulignons que l'enchevêtrement est observé avec [un] organisme entier qui conserve sa fonctionnalité biologique après l'expérience. Dans le même temps, le tardigrade a survécu aux conditions les plus extrêmes et les plus prolongées auxquelles il ait jamais été exposé".

Bien que l'article n'ait pas encore été évalué par ses pairs, les premières réactions de la communauté scientifique furent sévères. Douglas Natelson, directeur du département de physique et d'astronomie à l'Université Rice au Texas, a écrit sur son blog le 18 décembre 2021 que l'expérience "n'a pas enchevêtré un tardigrade avec un qubit dans un sens significatif". Selon Natelson, "Ce que les auteurs ont fait ici, c'est mettre un tardigrade au-dessus des parties capacitives de l'un des deux qubits couplés. Le tardigrade est principalement constitué d'eau (gelée), et ici il agit comme un diélectrique, déplaçant la fréquence de résonance du qubit sur lequel il était posé... Ce n'est pas un enchevêtrement au sens propre".

De même, Ben Brubaker, auteur et ancien physicien déclara dans un tweet publié le 18 décembre 2021 que "Le qubit est un circuit électrique et mettre le tardigrade à côté l'affecte à travers les lois de l'électromagnétisme que nous connaissons depuis plus de 150 ans. Mettre un grain de poussière à côté du qubit aurait un effet similaire".

Que le tardigrade ait subi ou non une intrication quantique, l'étude montre que ces animalcules sont encore plus endurants qu'on le pensait et restent des animaux fascinants.

Conclusion préliminaire, ces deux expériences n'ont pas démontré l'existence d'une intrication quantique entre des photons et des organismes vivants, aussi minuscules soient-ils.

A présent que l'intrication quantique et la décohérence sont maîtrisées, du moins jusqu'à une certaine échelle et pendant un certain temps, il reste une dernière expérience à réaliser : vérifier jusqu'à quelle distance l'intrication quantique peut se maintenir sans s'effondrer. Autrement dit, si on entremêle quantiquement le spin de deux électrons par exemple et qu'on modifie le spin du premier, comment réagira le second et jusqu'à quelle distance il restera en corrélation avec le premier ? Nous allons découvrir que le résultat est très surprenant. C'est l'objet du prochain chapitre.

Prochain chapitre

Le paradoxe EPR

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[1] Cet article est un résumé condensé du chapitre consacré au même sujet publié dans mon livre sur la physique quantique.

[2] G.Taubes, Science, 272, 1996, p1101 - C.Monroe et al., Science, 272, 1996, p1131 - E.Schrödinger, Proceedings of the American Philosophical Society, 124, 1980, p323 - Correspondance entre Einstein et Bohr (1916-1955), Editions du Seuil, 1972 - E.P.Wigner, Symmetries and Reflections", American Journal of Physics, 31, 1963, p6 et Indiana University Press, p153 - E.Schrödinger, Naturwissenschaften, 23, 1935, p807.


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