Un test de Bell, du nom du physicien nord-irlandais John Stewart Bell, est un essai randomisé qui compare les observations à la vision philosophique du monde du réalisme local, selon laquelle les propriétés du monde physique sont indépendantes de notre observation de celles-ci et aucun signal ne voyage plus vite que la lumière. Le 30 novembre 2016, plus de 100 000 personnes ont contribué à ce que l’on appelle le test BIG Bell. À l’aide d’appareils connectés à Internet, les volontaires ont généré plus de 90 millions de choix binaires, qui ont été dirigés via une plateforme web évolutive vers 12 laboratoires, où des expériences ont testé le réalisme local à l’aide de photons, d’atomes uniques, d’ensembles atomiques et de dispositifs supraconducteurs. Les résultats sont publiés dans le journal Nature.
Cette photo montre la mise en place de l’expérience. Crédit photo : Groupe de Jian-Wei Pan.
“Carlos Abellán, chercheur à l’Institut de Sciences Fotoniques de l’Institut des Sciences et Technologies de Barcelone en Espagne.
“Cela semblait incroyablement difficile au jour zéro, mais c’est devenu une réalité grâce aux efforts de dizaines de scientifiques passionnés, de communicateurs scientifiques, de journalistes et de médias, et surtout des dizaines de milliers de personnes qui ont contribué à l’expérience pendant le 30 novembre 2016.”
Dans un test de Bell, des paires de particules intriquées, telles que des photons, sont générées et envoyées à différents endroits, où les propriétés des particules, telles que les couleurs ou le temps d’arrivée des photons, sont mesurées.
Si les résultats des mesures tendent à concorder, quelles que soient les propriétés que nous choisissons de mesurer, cela implique quelque chose de très surprenant : soit la mesure d’une particule affecte instantanément l’autre particule (malgré sa distance), soit, ce qui est encore plus étrange, les propriétés n’ont jamais réellement existé, mais ont été créées par la mesure elle-même.
L’une ou l’autre de ces possibilités contredit le réalisme local, la vision du monde d’Einstein d’un univers indépendant de nos observations, dans lequel aucune influence ne peut voyager plus vite que la lumière.
Le test BIG Bell demandait à des volontaires de choisir les mesures, afin de combler la “faille de la liberté de choix”, c’est-à-dire la possibilité que les particules elles-mêmes influencent le choix de la mesure. Une telle influence, si elle existait, invaliderait le test ; ce serait comme permettre aux étudiants de rédiger leurs propres questions d’examen.
Cette faille ne peut pas être comblée en choisissant avec des dés ou des générateurs de nombres aléatoires, car il y a toujours la possibilité que ces systèmes physiques soient coordonnés avec les particules enchevêtrées.
Les choix humains introduisent l’élément de libre arbitre, par lequel les gens peuvent choisir indépendamment de ce que les particules peuvent faire.
Les participants au test BIG Bell ont fourni des séquences imprévisibles de zéros et de uns (bits) par le biais d’un jeu vidéo en ligne.
Les bits ont été acheminés vers des expériences de pointe à Brisbane, Shanghai, Vienne, Rome, Munich, Zurich, Nice, Barcelone, Buenos Aires, Concepción au Chili et Boulder dans le Colorado, où ils ont été utilisés pour régler les angles des polariseurs et d’autres éléments de laboratoire afin de déterminer comment les particules enchevêtrées étaient mesurées.
Les participants ont contribué avec 97 347 490 bits, rendant possible un test solide du réalisme local, ainsi que d’autres expériences sur le réalisme en mécanique quantique.
Les résultats obtenus désapprouvent fortement la vision du monde d’Einstein, ferment pour la première fois la faille de la liberté de choix, et démontrent plusieurs nouvelles méthodes dans l’étude de l’intrication et du réalisme local.
Chacun des 12 laboratoires a réalisé une expérience différente, pour tester le réalisme local dans différents systèmes physiques et pour tester d’autres concepts liés au réalisme.
“Notre équipe explore l’inégalité de Bell avec une entrée aléatoire partielle parfaite”, ont déclaré les chercheurs du Centre d’excellence et d’innovation synergique du CAS en information quantique et en physique quantique de l’Université des sciences et technologies de Chine (CAS-USTC).
“En analysant les nombres aléatoires fournis par les volontaires, nous pouvons constater que les nombres aléatoires humains ne sont pas parfaitement aléatoires et ont tendance à produire des modèles. Cependant, le caractère aléatoire généré par l’homme est très attrayant en raison de l’élément de libre arbitre humain.”
“Le véritable caractère aléatoire, qui n’est pas contrôlé par des variables cachées, existe entre les choix humains. Remarquablement, il est capable de dire dans quelle mesure la variable cachée aurait dû contrôler les choix humains. “
“Ceci est rendu possible en utilisant un type spécial d’inégalité de Bell,l’inégalité locale dépendant de la mesure (MDL)”.
Dans l’expérience, un laser de pompage de 780 nm est focalisé sur un cristal de phosphate de titanyle et de potassium à pôles périodiques (PPKTP) pour créer des paires de photons à 1560 nm par conversion paramétrique descendante spontanée. Les paires de photons convertis vers le bas interfèrent au niveau du séparateur de faisceau polarisant (PBS) dans une configuration basée sur Sagnac pour créer des paires intriquées.
L’état intriqué est ajusté pour être un état intriqué spécial non-maximum pour l’inégalité.
“Les paires de photons sont ensuite envoyées à deux stations de mesure situées à 90 m de distance pour être mesurées. Cette séparation spatiale permet de s’assurer que la mesure effectuée dans le laboratoire d’Alice n’affectera pas celle effectuée dans le laboratoire de Bob, et vice versa”, expliquent les scientifiques.
“Les nombres aléatoires apportés par les participants contrôlent la cellule de Pockels pour définir la base de mesure de chaque paire de photons.”
“Les photons sont finalement détectés avec des détecteurs à photons uniques à nanofils supraconducteurs.”
La violation de l’inégalité de Bell MDL donne la limite de l’aléa humain d’entrée pour exclure le réalisme local. Avec environ 80 Mb de nombres aléatoires fournis par les volontaires, la violation de l’inégalité de Bell MDL est fixée à l = 0,10 ± 0,05.
Bien qu’il existe de nombreuses expériences de test de Bell, la faille du “libre arbitre” n’est toujours pas comblée”, a déclaré le professeur Jian-Wei Pan, chercheur au CAS-USTC.
“Cette expérience est un essai très intéressant et important. À l’avenir, avec l’aide de la station spatiale, on pourra combler les deux failles ‘collapse locality’ et ‘free will’ en une seule expérience.”
