Pouvons-nous voir la non-localité quantique à l’échelle macroscopique ?

Miroir Chat

Des scientifiques de l’Université de Vienne et de l’Académie autrichienne des sciences ont montré qu’il est possible de préserver pleinement la structure mathématique de la théorie quantique dans la limite macroscopique.

L’une des caractéristiques les plus fondamentales de la physique quantique est la non-localité de Bell : le fait que les prédictions de la mécanique quantique ne peuvent être expliquées par aucune théorie locale (classique). Cela a des conséquences conceptuelles remarquables et des applications de grande envergure dans l’information quantique. Cependant, dans notre expérience quotidienne, les objets macroscopiques semblent se comporter selon les règles de la physique classique, et les corrélations que nous voyons sont locales. Est-ce vraiment le cas ou peut-on remettre en cause ce point de vue ?

Dans un article récent de Lettres d’examen physique, des scientifiques de l’Université de Vienne et de l’Institut d’optique quantique et d’information quantique (IQOQI) de l’Académie autrichienne des sciences ont montré qu’il est possible de préserver pleinement la structure mathématique de la théorie quantique dans la limite macroscopique. Cela pourrait conduire à des observations de non-localité quantique à l’échelle macroscopique.

Notre expérience quotidienne nous dit que les systèmes macroscopiques obéissent à la physique classique. Il est donc naturel de s’attendre à ce que la mécanique quantique reproduise la mécanique classique dans la limite macroscopique. C’est ce qu’on appelle le principe de correspondance, tel qu’établi par Bohr en 1920.[1]

Un argument simple pour expliquer cette transition de la mécanique quantique à la mécanique classique est le mécanisme à gros grains :[2] si les mesures effectuées sur des systèmes macroscopiques ont une résolution limitée et ne peuvent pas résoudre des particules microscopiques individuelles, alors les résultats se comportent de manière classique. Un tel argument, appliqué aux corrélations de Bell (non locales),[3] conduit au principe de la localité macroscopique.[4] De même, les corrélations quantiques temporelles se réduisent à des corrélations classiques (réalisme macroscopique)[2] et la contextualité quantique se réduit à la non-contextualité macroscopique.[5]

On croyait fermement que la transition quantique-classique est universelle, bien qu’une preuve générale manquait. Pour illustrer ce propos, prenons l’exemple de la non-localité quantique. Supposons que nous ayons deux observateurs distants, Alice et Bob, qui souhaitent mesurer la force de la corrélation entre leurs systèmes locaux. Nous pouvons imaginer une situation typique où Alice mesure sa minuscule particule quantique et Bob fait de même avec la sienne et ils combinent leurs résultats d’observation pour calculer la corrélation correspondante.

Comme leurs résultats sont intrinsèquement aléatoires (comme c’est toujours le cas dans les expériences quantiques), ils doivent répéter l’expérience un grand nombre de fois pour trouver la moyenne des corrélations. L’hypothèse clé dans ce contexte est que chaque exécution de l’expérience doit être répétée dans exactement les mêmes conditions et indépendamment des autres exécutions, ce qui est connu sous le nom d’hypothèse IID (indépendante et distribuée de manière identique). Par exemple, lors de l’exécution de tirages au sort aléatoires, nous devons nous assurer que chaque tirage est juste et impartial, ce qui entraîne une probabilité mesurée de (environ) 50 % pour pile/face après de nombreuses répétitions.

Une telle hypothèse joue un rôle central dans les preuves existantes de la réduction à la classicité de la limite macroscopique.[2,4,5]Cependant, les expériences macroscopiques considèrent des grappes de particules quantiques qui sont emballées et mesurées ensemble avec une résolution limitée (gros grain). Ces particules interagissent les unes avec les autres, il n’est donc pas naturel de supposer que les corrélations au niveau microscopique sont distribuées en unités de paires indépendantes et identiques. Si oui, que se passe-t-il si nous abandonnons l’hypothèse IID ? Réalise-t-on encore la réduction à la physique classique dans la limite d’un grand nombre de particules ?

Dans leurs travaux récents, Miguel Gallego (Université de Vienne) et Borivoje Dakić (Université de Vienne et IQOQI) ont montré que, de manière surprenante, les corrélations quantiques survivent dans la limite macroscopique si les corrélations ne sont pas distribuées IID au niveau des constituants microscopiques.

« L’hypothèse IID n’est pas naturelle lorsqu’il s’agit d’un grand nombre de systèmes microscopiques. Les petites particules quantiques interagissent fortement et les corrélations quantiques et l’intrication sont réparties partout. Compte tenu d’un tel scénario, nous avons révisé les calculs existants et avons pu trouver un comportement quantique complet à l’échelle macroscopique. C’est totalement contraire au principe de correspondance et la transition vers la classicité n’a pas lieu », déclare Borivoje Dakić.

En considérant les observables de fluctuation (écarts par rapport aux valeurs attendues) et une certaine classe d’états à plusieurs corps intriqués (états non IID), les auteurs montrent que toute la structure mathématique de la théorie quantique (par exemple, la règle de Born et le principe de superposition) est préservée. à la limite. Cette propriété, qu’ils appellent comportement quantique macroscopique, leur permet directement de montrer que la non-localité de Bell est visible dans la limite macroscopique.

« C’est incroyable d’avoir des règles quantiques à l’échelle macroscopique. Il suffit de mesurer les fluctuations, les écarts par rapport aux valeurs attendues, et nous verrons des phénomènes quantiques dans les systèmes macroscopiques. Je pense que cela ouvre la porte à de nouvelles expériences et applications », déclare Miguel Gallego.

Remarques

  1. Bohr, N. (1920). A propos du spectre en série des éléments. Journal de physique, 2 (5), 423-469.
  2. Kofler, J., & Brukner, . (2007). Monde classique issu de la physique quantique sous la restriction de mesures à gros grains. Lettres d’examen physique, 99 (18), 180403.
  3. Bell, JS (1964). Sur le paradoxe d’Einstein Podolsky Rosen. Physique Physique Fizika, 1 (3), 195.
  4. Navascués, M., & Wunderlich, H. (2010). Un regard au-delà du modèle quantique. Actes de la Royal Society A: Sciences mathématiques, physiques et techniques, 466 (2115), 881-890.
  5. Henson, J., & Sainz, AB (2015). La non-contextualité macroscopique comme principe des corrélations quasi-quantiques. Examen physique A, 91(4), 042114.

Référence : « Macroscopically Nonlocal Quantum Correlations » par Miguel Gallego et Borivoje Dakić, 16 septembre 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.120401

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