Découverte d’une nouvelle connexion entre deux phénomènes quantiques étranges – la superposition et l’intrication – avec des implications pour la cryptographie ultra-sécurisée.
Un principe d’équivalence “beyond-quantum” pour la superposition et l’intrication.
Une étude financée par le Foundational Questions Institute (FQXi) a trouvé une nouvelle connexion entre deux phénomènes quantiques étranges – la superposition et l’intrication – avec des implications pour la cryptographie ultra-sécurisée.
La physique du microréel intègre deux concepts bien connus et bizarres : Le premier est qu’avant l’observation, il est impossible de connaître avec certitude le résultat d’une mesure sur une particule ; la particule existe plutôt dans une “superposition” comprenant de nombreux états mutuellement exclusifs. Ainsi, une particule peut se trouver à deux ou plusieurs endroits en même temps, et vous ne pouvez calculer la probabilité de la trouver à un certain endroit que lorsque vous regardez. La seconde concerne “l’intrication”, le lien étrange qui peut unir deux objets, quelle que soit la distance qui les sépare physiquement. La théorie quantique décrit mathématiquement la superposition et l’intrication.
Mais de nombreux physiciens pensent que la théorie ultime de la réalité pourrait se situer au-delà de la théorie quantique. Aujourd’hui, une équipe de physiciens et de mathématiciens a trouvé un nouveau lien entre ces deux propriétés étranges qui ne suppose pas que la théorie quantique soit correcte. Leur étude a été publiée dans Physical Review Letters et a été sélectionnée par la revue en tant que suggestion des rédacteurs.
Une nouvelle connexion entre l’intrication et la superposition dans n’importe quelle théorie physique a été découverte, ce qui permet de confirmer que la distribution de clés secrètes dans les protocoles cryptographiques quantiques actuels fonctionnera, même si la théorie quantique est incorrecte et doit être remplacée par une théorie plus fondamentale, “au-delà du quantique”. Crédit : Ludovico Lami
“Nous avons été très enthousiastes à l’idée de trouver cette nouvelle connexion qui va au-delà de la théorie quantique, car elle sera valable même pour des théories plus exotiques qui restent à découvrir”, explique Ludovico Lami, membre du groupe de réflexion sur la physique, le Foundational Questions Institute, FQXi, et physicien à l’université d’Ulm, en Allemagne. “Elle est également importante parce qu’elle est indépendante du formalisme mathématique de la théorie quantique et n’utilise que des notions ayant une interprétation opérationnelle immédiate”, ajoute-t-il. Lami est co-auteur de l’étude avec Guillaume Aubrun de l’Université Claude Bernard Lyon 1, en France, Carlos Palazuelos, de l’Université Complutense de Madrid, en Espagne, et Martin Plávala, de l’Université de Siegen, en Allemagne.
Si la théorie quantique s’est avérée extrêmement efficace depuis son élaboration il y a un siècle, les physiciens ont eu du mal à l’unifier avec la gravité pour créer une “théorie du tout” globale. Cela suggère que la théorie quantique n’est peut-être pas le dernier mot pour décrire la réalité, ce qui incite les physiciens à rechercher un cadre plus fondamental. Mais toute théorie ultime de ce type doit intégrer la superposition, l’intrication et la nature probabiliste de la réalité, puisque ces caractéristiques ont été confirmées à maintes reprises par des tests en laboratoire. L’interprétation de ces expériences ne dépend pas de l’exactitude de la théorie quantique, note M. Lami.
Cryptographie quantique
Il y a aussi des implications pratiques. L’intrication quantique joue un rôle clé dans la conception des ordinateurs quantiques – des machines qui pourraient surpasser les ordinateurs standard dans certaines tâches – et dans les protocoles cryptographiques quantiques, qui sont déjà utilisés et qui exploitent les règles quantiques pour fournir une communication ultra-sécurisée sur des canaux qui, en théorie, sont à l’abri du piratage. Mais si, à l’avenir, la théorie quantique doit être remplacée par une autre théorie plus fondamentale, découvrirons-nous que ces règles n’étaient pas vraiment valables ou que ces protocoles cryptographiques ne sont pas aussi sûrs que promis ?
Le problème est que pour le découvrir, il faut analyser la superposition et l’intrication en fonction d’une théorie générale – et encore inconnue – sans utiliser les mathématiques de la théorie quantique. Comment y parvenir ? Lami et ses collègues ont résolu cette énigme en étudiant des “théories probabilistes générales”, plutôt que la théorie quantique. La recherche a été soutenue en partie par une subvention que Lami et d’autres ont reçue du Foundational Questions Institute, FQXi, pour étudier les caractéristiques et les limites de l’intelligence dans les théories probabilistes généralisées, ce qui leur a permis d’examiner comment l’information est traitée dans des systèmes abstraits classiques, quantiques et “au-delà du quantique”.
“Cette bourse du FQXi m’a donné l’occasion d’étudier les caractéristiques et les limites de l’intelligence dans les théories probabilistes généralisées.chance de réfléchir de plus près à certaines caractéristiques universelles du traitement de l’information dans les théories au-delà de la mécanique quantique, modélisées mathématiquement par des théories probabilistes générales”, déclare Lami. “Et l’exemple primitif cryptographique que nous étudions, la distribution de clés secrètes, est l’une des tâches les plus simples où ce formalisme peut être appliqué.”
Dans le nouvel article, publié dans la revue Physical Review Lettersl’équipe a montré que deux théories physiques présentent une intrication lorsqu’elles sont combinées, si et seulement si elles présentent toutes deux des superpositions locales. Cela signifie que l’intrication et la superposition sont équivalentes dans toute théorie physique, et pas seulement dans la théorie quantique. L’équipe a également calculé que dans les systèmes où cette équivalence existe, qu’ils soient quantiques ou non, les lois de la théorie peuvent être exploitées pour un cryptage ultra-sécurisé. En particulier, l’équipe a montré qu’un certain protocole cryptographique quantique populaire, connu sous le nom de “BB84”, fonctionnera toujours, même si l’on découvre un jour que la théorie quantique n’est pas entièrement correcte et doit être remplacée par une théorie plus fondamentale.
“Il est en quelque sorte rassurant de savoir que la cryptographie est vraiment une caractéristique de toutes les théories non classiques, et pas seulement une bizarrerie quantique, puisque beaucoup d’entre nous pensent que la théorie ultime de la nature sera probablement non classique”, dit Lami. “Même si un jour nous découvrons que la théorie quantique est incorrecte, nous saurons toujours que la distribution de clés secrètes peut en principe fonctionner.”
Référence : “L’intrication et la superposition sont des concepts équivalents dans toute théorie physique” par Guillaume Aubrun, Ludovico Lami, Carlos Palazuelos et Martin Plávala, 22 avril 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.160402
Ce travail a été partiellement soutenu par le programme Intelligence in the Physical World de FQXi.
