Des scientifiques ont trouvé comment sauver le chat de Schrödinger

Des chercheurs ont découvert comment prédire l’imminence de sauts d’atomes artificiels contenant une information quantique et par la même occasion comment sauver le chat de Schrödinger d’une mort annoncée. Une trouvaille qui pourrait aider à l’épanouissement de l’informatique quantique.

En 1935, le physicien Erwin Schrödinger utilise un paradoxe imagé pour vulgariser les principes de superposition quantique et d’imprédictibilité. L’expérience, totalement virtuelle, consiste à enfermer un chat dans une boîte dotée d’un mécanisme qui tue l’animal (un marteau vient casser une fiole de poison) dès qu’il détecte la désintégration d’un atome d’un corps radioactif. Vu de l’extérieur, personne ne peut savoir si le chat est mort ou vivant tant qu’on n’ouvre pas la boîte. Autrement dit, d’un point de vue quantique, le chat est « mort-vivant », à la fois mort et vivant, illustrant la superposition d’états quantiques. De même, sans ouvrir la boîte pour surveiller ce qui se passe, personne ne peut prédire Evènement qui déclenchera (s’il le déclenche) la désintégration de l’atome. Cet événement est totalement aléatoire et donc imprédictible. Une façon d’illustrer que pour les physiciens les particules atomiques se comportent de façon imprédictible.

En outre, si l’on ouvre la boîte, on constatera si le chat est mort ou vivant, c’est le principe de la décohérence quantique qui implique que l’observation détruit l’état quantique.

Les chercheurs de l’université de Yale viennent toutefois de jeter un grand trouble dans le monde de la physique quantique. Leur expérience pourrait notamment avoir des implications importantes dans la concrétisation d’une informatique quantique fiable et opérationnelle en résolvant l’une de ses plus grosses faiblesses : l’imprédictibilité des Qubits.

Dans leur étude publiée dans la revue Nature, ils expliquent que les résultats de leur expérience « démontrent que l’évolution de chaque saut complété est continue, cohérente et déterministe. Nous exploitons 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 achèvement de manière déterministe ».

Concrètement, les chercheurs ont découvert non seulement comment attraper un atome artificiel au milieu d’un « saut quantique », mais également comment inverser ce saut pour qu’il n’aboutisse pas.

Dès lors, ils peuvent détecter l’événement et empêcher la désintégration de l’atome (car celle-ci requiert un saut quantique), sauvant par la même occasion le chat de Schrödinger…

Pour les chercheurs, cette expérience montre surtout qu’il y a encore bien des choses à découvrir sur le fonctionnement de la mécanique quantique et que toute l’histoire n’a pas encore été écrite.

Selon eux, « 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’erreur dans la correction d’erreurs quantiques ». Or la correction des erreurs inhérentes à l’informatique quantique est sans doute l’un des principaux freins à son éclosion. Plus une machine quantique possède de qubits, plus elle est soumise aux erreurs. Autrement dit, la découverte n’est pas seulement une bonne nouvelle pour les chats imaginaires de scientifiques inspirés, mais aussi une bonne nouvelle pour le futur de l’informatique quantique…

Einstein tue le chat de Schrödinger : La relativité ruine le monde quantique

La même particularité de la relativité générale, cela signifie que votre tête vieillit plus vite que vos pieds et cela veut dire que nous devons aller dans l’espace pour voir en action la mécanique quantique à grande échelle.

Etre à deux places en même temps n’est pas aisé pour de simples humains. Un bilan avisé de l’effet de la gravité sur des systèmes quantiques pourrait ruiner des expériences quantiques. Si cela est confirmé, cela suggère que des études quantiques peuvent être impossibles à réaliser sur terre.

Qu’elle que soit la peine que vous y mettez, vous ne pouvez pas être à deux places à la fois. Mais si vous êtes un électron, surgir de plusieurs places à la fois est un mode de vie. Les lois de la mécanique quantique disent que les particules subatomiques existent (sic) dans des états superposés jusqu’à ce qu’elles soient observées et trouvées dans une seule place – lorsque leur fonction d’onde est réduite.

Chasser les chats

Alors pourquoi on ne peut pas réaliser le même tour que celui d’un électron ? Cela semble provenir du fait qu’une fois que quelque chose devient suffisamment grand, il perd ses propriétés quantiques : un processus appelé décohérence. C’est parce que principalement des objets grands interagissent avec leur environnement que cela les force d’être dans une position ou une autre. E. Schrödinger, d’une façon fameuse, pointa l’absurdité des superpositions à grande échelle avec l’exemple d’un chat mort et vivant.

Mais cela n’a pas arrêté les physiciens d’essayer des expériences en isolant des objets des influences externes. En 2010, une équipe de l’université de Californie, à Santa Barbara, a placé une lame de métal de 60 micromètres de longueur en superposition pendant quelques nanosecondes, en la refroidissant juste au-dessus du zéro absolu pour la protéger des fluctuations de température.

L’espoir est que des expériences plus précises puissent être réalisées avec des objets plus grands, tels des virus, placés dans des états superposés, obtenant ainsi une meilleure proximité avec le chat mythique de Schrödinger. Mais maintenant il semblerait qu’il y ait un obstacle plus fondamental : la gravité.

Dans le champ gravitationnel

La relativité générale, tend à être ignorée par la physique quantique. « Habituellement les gens ne la prennent pas plus en compte parce qu’elle agit sur des grandes échelles » dit I. Pikovski de l’université de Harvard. « Ils pensent qu’il n’y a pas beaucoup d’effets qui soient significatifs ». Maintenant Pikovski et ses collègues ont calculé ce qui se produit quand vous réalisez des expériences quantiques dans le champ gravitationnel. Ils disent qu’une particularité de la relativité appelée dilatation du temps pourrait faire perdre aux grands systèmes leur nature quantique.

Une des prédictions d’Einstein est que la gravité ralentit le temps. Pour les objets massifs, l’effet peut être extrême, comme cela est rendu dans le film Interstellar, où une heure sur une planète qui orbite autour d’un trou noir est équivalent à sept ans sur la terre.

Mais ceci vous affecte aussi. Les expériences en laboratoire avec des horloges atomiques ont révélé que l’âge de votre tête vieillit plus vite que vos pieds, à cause de la subtile différence de la force du champ gravitationnel.

Le calcul de Pikovski montre que les molécules mises en superposition peuvent subir cette différence temporelle et ainsi rompre leur état quantique. Cela peut se produire parce que les liens entre les atomes dans une molécule connaissent des sauts et vibrent constamment. Si une molécule est en superposition de deux états qui sont à des hauteurs distinctes du sol, chacun des états vibrera à des fréquences distinctes, ce qui détruirait la superposition.

Matières hautes

La décohérence se produit plus vite quand plus de particules sont ajoutées au système. Par exemple, prenons l’expérience qui tente de mettre 1 gramme de carbone – environ 1023 atomes – dans une superposition de 2 états. S’ils peuvent être séparés verticalement d’1 micromètre, Pikoski dit que le champ gravitationnel terrestre provoquera la décohérence en une milliseconde, même si rien d’autre n’interfère. « Même complètement isolés les systèmes sont de toute façon affectés par leur propre composition. »

Ceci ne se produit pas avec des plus petites particules comme les électrons, parce qu’ils n’ont pas de parties en mouvement, donc ne sont pas affectés par la dilatation du temps, ce qui explique qu’ils se maintiennent en superposition d’états jusqu’à la mesure.

Pour le moment, les idées de Pikoski restent théoriques, mais il considère que cela peut être testé avec des horloges atomiques, qui utilisent la fréquence régulière d’émission d’énergie d’atomes pour conserver le temps. Si vous pouvez placer une horloge atomique dans une superposition verticale, elle « tic-tacquera » à deux fréquences simultanément, forçant ainsi la décohérence.

Cet effet est relativement petit, donc les équipements doivent être encore améliorés, mais Pikovski pense que cela pourra se faire dans quelques années.

Laisser la terre en arrière

Si l’effet est confirmé, cela suggère que les physiciens doivent quitter l’emprise de la gravité terrestre pour réaliser des expériences quantiques extrêmes.

« Cela serait probablement plus facile de faire des expériences quantiques de grands systèmes sur la lune ou dans l’espace que sur terre » puisque la plus faible gravité ralentira la décohérence. « Si les gens veulent obtenir des superpositions macroscopiques, il faut aller dans l’espace. » Ce serait bien, l’International Space Station, pourrait être appropriée.

D’autres personnes ne sont pas convaincues. « C’est un effet ténu, et je ne pense pas qu’il nous conduira dans l’espace prochainement. » indique S. Hossenfelder du centre de Stockholm. L’effet est de l’ordre de grandeur en dessous de ce qui pourrait affecter une expérience courante.

Des observateurs partout

Faire des expériences dans l’espace a son propre objet, dit R. Bondarescu de Zurich. Travailler en gravité faible est difficile, coûteux et les équipements doivent être blindés contre les radiations cosmiques, mais ceci n’est pas déraisonnable dit-elle. « Peut-être que dans le futur, l’effet dominant sera la décohérence quantique due à la gravité. »

La dilatation du temps pourrait résoudre un épineux problème philosophique. Quelques physiciens s’inquiètent que la mécanique quantique requière un observateur conscient pour réduire une fonction d’onde. Est-ce qu’un chat quantique dans une boite devrait rester à la fois mort et vivant pour toujours si personne ne le vérifie ? Est-ce que le chat lui-même pourrait réduire la fonction d’onde ? La décohérence gravitationnelle règle le problème, dit Pikovski. Même si vous isolez le système des effets qui provoquent la décohérence normalement, l’effet gravitationnel sur le chat réduira le système. « La dilatation du temps induit ce type d’observateur. » dit-il.

Préserver la superposition

Mais ceci ne règle pas le problème, indique T. Ralph d’Australie. Il se pourrait qu’il n’y ait pas de dilatation du temps si les deux états sont à la même hauteur. « En principe, il est toujours possible de préserver une superposition si un contrôle suffisant peut être réalisé sur le système quantique » dit-il.

En pensant plus : comment la gravité et les effets quantiques interagissent, comme l’a fait l’équipe de Pikovski, cela peut conduire au prix ultime de la physique quantique. Les mathématiques derrière la relativité générale et la mécanique quantique produisent des solutions incompatibles quand les deux physiques sont importantes, comme la singularité au cœur d’un trou noir.

Les tentatives pour développer une théorie unifiée de la gravité quantique étudient comment les mathématiques se transforment pour l’interpréter, mais luttent pour réaliser des expériences qui confirmeraient ces idées – il est compliqué d’introduire des trous noirs dans un laboratoire. « Cette approche peut contribuer à une meilleure compréhension de l’interaction entre mécanique quantique et gravité », « Cela nous permettra d’envisager une compréhension des phénomènes qui font appel à ces deux théories à la fois. »

Ce travail peut permettre de savoir comment les deux théories se comportent ensemble mais cela ne signifie pas que c’est la route de la théorie du tout, dit C. Rovelli. « La gravité quantique se réfère aux propriétés quantiques de l’espace-temps, et pas au comportement quantique de la matière dans l’espace-temps, ce qui est quelque chose qui est parfaitement maitrisé théoriquement. » affirme-t-il.

Mais Ralph pense que c’est un bon départ. « Les effets prédits combinent mécanique quantique et relativité générale d’une façon non triviale. » dit-il. « Jusqu’à présent il n’y a pas d’expériences qui virtuellement testent si cette voie du calcul est correcte, ces expériences qui testeraient ces types de prédictions sont extrêmement importantes – même si minimalement elles ne font que confirmer que l’on est dans la bonne direction. »

Analyse

C’est annoncé dans le titre, l’auteur est convaincu qu’il y a un monde quantique indépendant de l’observateur, ce qui ne peut être accepté puisque jamais constaté. Dans l’article il est souvent fait référence à des expériences théoriques, sans que soit pris en compte l’expérimentateur (l’observateur), comme si celles-ci parlaient d’elles-mêmes, ce qui est incongru. En aucun cas la fonction d’onde avant sa réduction ne correspond à la description réelle de l’objet quantique. La fonction d’onde comprend la connaissance que l’être : « sujet pensant », peut avoir de l’objet, sans plus. Ainsi les deux phrases suivantes citées : « Mais si vous êtes un électron, surgir de plusieurs places à la fois est un mode de vie. Les lois de la mécanique quantique nous disent que les particules subatomiques existent (sic) dans des états superposés jusqu’à ce qu’elles soient observées et trouvées dans une seule place – lorsque leur fonction d’onde est réduite » violent les fondements de la mécanique quantique. Le terme d’existence est inacceptable.

Seule l’affirmation suivante : « apparaissent à l’observateur », serait correcte. Malheureusement, il n’y a pas que ces arguments qui soient erronés. En M.Q. l’observateur embrasse l’objet quantique dans une unité. S’il distingue le haut, du bas de l’objet ou une partie de celui-ci (voir les travaux d’A. Zeilinger et son équipe), la décohérence est déjà établie, ceci annule donc une grande partie des expériences théoriques de l’auteur. En plus cette unité implique que ce soit la temporalité de l’observateur qui s’impose et non pas celle de l’objet puisque celui-ci est doté de multiples scansions possibles. Prenons en compte qu’il y a dans certaines situations une unité indestructible, même quand on sait que l’objet quantique de la fonction d’onde est composite comme dans le cas d’intrication d’objets simples ou complexes (voir les travaux de N. Gisin et son équipe).

Pikovski ose formuler l’idée suivante : « Est-ce que le chat lui-même pourrait réduire la fonction d’onde ? La décohérence gravitationnelle règle le problème » Ceci étant dit, on propose de dépasser simplement l’intérêt pédagogique de ce genre d’article contenant tellement d’extrapolations erronées de la M.Q. que le rétablissement de la vérité conceptuelle de celle-ci remet les « pendules à l’heure ». Cela se comprend dans une certaine mesure car penser quantique n’est pour aucun de nous une chose naturelle.

Toutefois, il serait certainement important qu’on sache réaliser des expériences quantiques sous l’influence de champs gravitationnels différents. Il est rappelé dans la fin de l’article de la difficulté de la réalisation mais cela devrait pouvoir se faire bientôt. Il y a certainement plusieurs cas de figure à envisager :

1) l’observateur se trouve subir les mêmes variations du champ gravitationnel que le dispositif expérimental physique ;
2) l’observateur se trouve subir des variations différentes du champ gravitationnel que le dispositif ou maintenu dans un champ constant.

Rien que la variation des résultats, ou leur invariance, sera très instructif. En effet, il est essentiel de savoir comment gravitation et M.Q. se combinent et interagissent, et donc quel nouvel espace de connaissances cela pourrait révéler.

yogaesoteric
28 novembre 2019

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