Dans un article publié dans la revue Science Advancesnous montrons que, dans le micro-monde des atomes et des particules régi par les règles étranges de la mécanique quantique, deux observateurs différents ont droit à leurs propres faits. En d’autres termes, selon notre meilleure théorie des éléments constitutifs de la nature elle-même, les faits peuvent être subjectifs.
Dans une expérience de pointe à six photons, Proietti et al. et al réalisent un scénario de l’ami de Wigner étendu, violant expérimentalement l’inégalité de type Bell associée de cinq écarts types. Crédit image : Pete Linforth.
Les observateurs sont des acteurs puissants dans le monde quantique. Selon la théorie, les particules peuvent se trouver dans plusieurs endroits ou états à la fois – c’est ce qu’on appelle une superposition.
Mais curieusement, ce n’est le cas que lorsqu’elles ne sont pas observées. Dès que vous observez un système quantique, il choisit un emplacement ou un état spécifique, ce qui rompt la superposition.
Le fait que la nature se comporte de cette manière a été prouvé à de multiples reprises en laboratoire – par exemple, dans la célèbre expérience de la double fente.
En 1961, le physicien Eugene Wigner a proposé une expérience de pensée provocante. Il s’est demandé ce qui se passerait si l’on appliquait la mécanique quantique à un observateur qui serait lui-même observé.
Imaginez qu’un ami de Wigner lance une pièce de monnaie quantique – qui est dans une superposition de pile et de face – dans un laboratoire fermé. Chaque fois que l’ami lance la pièce, il observe un résultat précis.
On peut dire que l’ami de Wigner établit un fait : le résultat du lancer de la pièce est définitivement pile ou face.
Wigner n’a pas accès à ce fait de l’extérieur, et selon la mécanique quantique, il doit décrire l’ami et la pièce de monnaie comme étant dans une superposition de tous les résultats possibles de l’expérience. C’est parce qu’ils sont “enchevêtrés” – connectés de manière effrayante de sorte que si vous manipulez l’un, vous manipulez également l’autre.
Wigner peut maintenant vérifier en principe cette superposition à l’aide d’une “expérience d’interférence”, un type de mesure quantique qui permet de démêler la superposition d’un système entier, confirmant ainsi que deux objets sont enchevêtrés.
Lorsque Wigner et son ami compareront leurs notes par la suite, l’ami insistera sur le fait qu’ils ont vu des résultats précis pour chaque tirage au sort. Wigner, cependant, ne sera pas d’accord lorsqu’il observera l’ami et la pièce dans une superposition.
Cela présente une énigme. La réalité perçue par l’ami ne peut être réconciliée avec la réalité extérieure.
A l’origine, Wigner ne considérait pas qu’il s’agissait d’un paradoxe, il affirmait qu’il serait absurde de décrire un observateur conscient comme un objet quantique. Cependant, il s’est ensuite écarté de ce point de vue, et selon les manuels formels de mécanique quantique, la description est parfaitement valide.
Expérience de l’ami de Wigner : (A) un système quantique dans une superposition égale de deux états possibles est mesuré par l’ami de Wigner (à l’intérieur de la boîte) ; selon la théorie quantique, à chaque passage, il obtiendra au hasard l’un des deux résultats de mesure possibles ; ceci peut être vérifié en regardant directement dans son laboratoire et en lisant le résultat qu’il a enregistré ; (B) de l’extérieur du laboratoire fermé, cependant, Wigner doit décrire son amie et son système quantique comme un état commun enchevêtré ; Wigner peut également vérifier cette affectation d’état par une expérience d’interférence, en concluant que son amie ne peut pas avoir vu un résultat défini en premier lieu ; (C) nousenvisage une version étendue de cette expérience, où un état intriqué est envoyé dans deux laboratoires différents, chacun impliquant un expérimentateur et son ami. Crédit image : Proietti et al, doi : 10.1126/sciadv.aaw9832.
L’expérience
Le scénario est longtemps resté une expérience de pensée intéressante. Mais reflète-t-il la réalité ?
Scientifiquement, peu de progrès ont été réalisés à ce sujet jusqu’à très récemment, lorsque Časlav Brukner de l’Université de Vienne a montré que, sous certaines hypothèses, l’idée de Wigner peut être utilisée pour prouver formellement que les mesures en mécanique quantique sont subjectives pour les observateurs.
Brukner a proposé un moyen de tester cette notion en traduisant le scénario de l’ami de Wigner dans un cadre établi pour la première fois par le physicien John Bell en 1964.
Brukner a considéré deux paires de Wigner et amis, dans deux boîtes distinctes, effectuant des mesures sur un état partagé – à l’intérieur et à l’extérieur de leur boîte respective.
Les résultats peuvent être additionnés pour être finalement utilisés pour évaluer une soi-disant “inégalité de Bell”. Si cette inégalité est violée, les observateurs pourraient avoir des faits alternatifs.
Pour la première fois, nous avons réalisé ce test de manière expérimentale à l’Université Heriot-Watt d’Edimbourg sur un ordinateur quantique à petite échelle composé de trois paires de photons intriqués.
La première paire de photons représente les pièces de monnaie, et les deux autres sont utilisées pour effectuer le tirage au sort – en mesurant la polarisation des photons – à l’intérieur de leur boîte respective. À l’extérieur des deux boîtes, il reste deux photons de chaque côté qui peuvent également être mesurés.
Malgré l’utilisation d’une technologie quantique de pointe, il a fallu des semaines pour collecter suffisamment de données à partir de six photons seulement afin de générer suffisamment de statistiques. Mais finalement, nous avons réussi à montrer que la mécanique quantique pouvait effectivement être incompatible avec l’hypothèse de faits objectifs – nous avons violé l’inégalité.
La théorie, cependant, est basée sur quelques hypothèses. Il s’agit notamment du fait que les résultats des mesures ne sont pas influencés par des signaux se déplaçant à une vitesse supérieure à celle de la lumière et que les observateurs sont libres de choisir les mesures à effectuer. Cela peut être le cas ou non.
Une autre question importante est de savoir si les photons uniques peuvent être considérés comme des observateurs.
Dans la proposition de théorie de Brukner, les observateurs n’ont pas besoin d’être conscients, ils doivent simplement être capables d’établir des faits sous la forme d’un résultat de mesure. Un détecteur inanimé serait donc un observateur valide.
Et la mécanique quantique classique ne nous donne aucune raison de croire qu’un détecteur, qui peut être fabriqué aussi petit que quelques atomes, ne devrait pas être décrit comme un objet quantique au même titre qu’un photon. Il est également possible que la mécanique quantique standard ne s’applique pas aux grandes échelles de longueur, mais tester cela est un problème distinct.
Cette expérience montre donc que, au moins pour les modèles locaux de la mécanique quantique, nous devons repenser notre notion d’objectivité.
Les faits dont nous faisons l’expérience dans notre monde macroscopique semblent rester sûrs, mais une question majeure se pose sur la façon dont les interprétations existantes de la mécanique quantique peuvent s’accommoder de faits subjectifs.
Certains physiciens considèrent que ces nouveaux développements renforcent les interprétations qui permettent à plus d’une issue de se produire pour une observation, par exemple l’existence d’univers parallèles dans lesquels chaque issue se produit.
D’autres y voient une preuve irréfutable de l’existence de théories intrinsèquement dépendantes de l’observateur, comme le bayésianisme quantique, dans lequel les actions et les expériences d’un agent sont au cœur de la théorie.
Mais d’autres encore prennent cela comme un indice fort que peut-être la mécanique quantique s’effondrera au-delà de certaines échelles de complexité.
Il est clair qu’il s’agit là de questions profondément philosophiques sur la nature fondamentale de la réalité. Quelle que soit la réponse, un avenir intéressant nous attend.
