L'expérience de pensée bien connue d'Einstein, Rosen et Podolsky est testée avec une nouvelle démonstration impliquant des centaines d'atomes intriqués. EPR (Einstein, Podolsky et Rosen) a avancé une thèse en 1935 selon laquelle la physique quantique n'offre qu'une explication partielle de la réalité. Deux hypothèses soutiennent l'argument. Premièrement, il y a un "élément de réalité" qui signifie que si la valeur d'une propriété physique d'un système peut être prédite avec certitude sans causer de perturbation au système, elle a une valeur même lorsqu'elle n'est pas mesurée. Deuxièmement, les processus physiques ont des effets qui agissent localement, plutôt que d'avoir un effet instantané sur de longues distances.
Ces hypothèses de «réalisme local» ont ensuite été testées expérimentalement par John Bell, et les tests ultérieurs de Bell ont prouvé que ces hypothèses étaient fausses pour les systèmes constitués de quelques particules minuscules telles que des électrons ou des photons. Paolo Colciaghi et ses collègues de l'Université de Bâle en Suisse ont maintenant testé le cas de l'EPR pour un système plus grand avec des nuages de centaines d'atomes. Leurs résultats jettent un doute sur l'applicabilité du réalisme local de l'EPR dans le contexte de grands systèmes mésoscopiques.
L'EPR a considéré un système composé de deux particules, A et B, séparées dans l'espace et ayant en commun des paires non observables, y compris leurs positions et leurs impulsions. Les systèmes sont mis en place de telle manière que la quantité de mouvement des particules n'est pas liée les unes aux autres et que leurs positions sont liées les unes aux autres.
En raison du couplage entre les observables, un expérimentateur doit être capable de mesurer avec précision B pour prédire la position ou la quantité de mouvement de la particule A. Il est très important de noter que le système est configuré de manière à ce que les particules soient "séparées par l'espace", éliminant ainsi la possibilité que A soit perturbé par une mesure en B.
EPR conclut que les positions et les impulsions des particules sont bien définies simultanément sous l'hypothèse du réalisme local. Cependant, la mécanique quantique interdit la définition simultanée et précise des valeurs de moment et de position. L'EPR a fait valoir que la mécanique quantique était insuffisante pour expliquer cette contradiction, soulignant qu'une théorie complète devrait inclure une possibilité actuellement connue sous le nom de variables latentes locales, que les tests de Bell excluent désormais [2, 3]. Les tests de Bell ont depuis réfuté la théorie de l'EPR.
Colciaghi et ses collègues utilisent des nuages de plusieurs centaines d'atomes de rubidium-87, par opposition aux paires de particules individuelles utilisées dans la plupart des expériences de Bell. Pour faire circuler les atomes de condensation, ils préparent d'abord un seul condensat de Bose-Einstein dans un piège et conçoivent une interaction pour ce faire (Figure 1). Le condensat se dilate pour produire deux nuages enchevêtrés séparés par jusqu'à 100 mètres lorsqu'il est libéré du piège. Pour tester le dilemme, il est nécessaire de mesurer deux observables non intriqués. Colciaghi et ses collègues remplacent la position et l'élan prédits par l'EPR par des "pseudospins", une paire d'états quantiques qui forment un système à deux niveaux comme le spin.
Ces "spins" sont définis par deux niveaux d'hyperfine, et le spin de chaque nuage est déterminé par la somme des numéros atomiques dans les deux niveaux. En comptant directement les atomes dans chaque niveau, la valeur de la première des observables de spin non communes est obtenue. Le deuxième spin complémentaire observable est déterminé à l'aide d'une impulsion qui interagit avec les atomes avant le comptage. Il y a eu des tests EPR précédents utilisant des ensembles atomiques, mais cette expérience diffère considérablement en ce que les conditions de mesure pour chaque nuage sont sélectionnées individuellement. Un vrai paradoxe EPR doit avoir cette indépendance ; sinon, nous ne pouvons pas ignorer un effet de système à système.
Colciaghi et ses collègues étudient les corrélations EPR en calculant les erreurs dans l'estimation de la rotation du nuage A à partir des mesures de rotation du nuage B, d'abord lorsque les impulsions sont absentes, puis lorsque les impulsions sont appliquées à la fois au nuage A et au nuage B. Bien que non nulle, la somme de ces erreurs est négligeable inférieure à la limite inférieure de l'expérience pour le produit d'incertitude de Heisenberg. Ainsi le paradoxe est prouvé, car il est possible d'inférer des spins qui ne sont pas communs à A avec une précision qui ne peut être mesurée par aucun état quantique local.
Une expérience impliquant un grand nombre d'atomes est curieusement macroscopique si ces corrélations sont le résultat d'une mesure effectuée en B affectant le résultat en A de manière non classique.
Les chercheurs modifient alors leurs expériences de manière très instructive. L'argument EPR a été contesté par Schrödinger en 1935 avec sa célèbre illustration du chat dans un état de superposition. Un scénario moins connu est la suggestion de Schrödinger d'un scénario où deux variables complémentaires sont mesurées simultanément "l'une par mesure directe et l'autre par mesure indirecte" en modifiant les paramètres de mesure. Schrödinger s'est demandé si les valeurs des deux variables pouvaient être déterminées exactement pour ce choix de paramètres de mesure et s'est demandé si cette détermination de valeur serait cohérente avec la mécanique quantique. Une telle situation a été produite par Colciaghi et al en changeant les impulsions qui décident quel spin mesurer : elles changent l'accord du nuage A tout en laissant la configuration du nuage B inchangée.
Les chercheurs ont montré que s'ils peuvent mesurer directement une variable du nuage A, ils peuvent déterminer indirectement la valeur de la variable complémentaire à partir d'une mesure dans le nuage B. Ils montrent également comment la corrélation avec la mesure en B est rétablie en modifiant à nouveau le réglage de A. Cela montre que la modification du réglage du nuage A ne change pas la qualité de la prédiction de la variable complémentaire en A par la mesure en B. Ce résultat indique-t-il que le résultat de la mesure en A a un aspect réel une fois que le réglage en B est fixé ?
Une fois les paramètres de mesure établis, le système est prêt pour compter les atomes à deux niveaux, suite à tout contact des atomes avec les impulsions pour la mesure directe de chaque variable. Les atomes doivent-ils déjà être comptés à ces niveaux, que le comptage ait eu lieu ou non ? La nature mésoscopique de l'expérience semble soutenir plus fortement la théorie de Schrödinger car il semble que les valeurs observables seront fixées une fois les paramètres de mesure déterminés mais avant que les mesures ne soient terminées par le comptage des atomes.
Les implications des résultats ne sont pas entièrement claires. Pour changer l'environnement qui modifie l'état quantique, une deuxième interaction est nécessaire pour valider la valeur implicitement obtenue dans A.
Par conséquent, ni le théorème de Bell, qui concerne les variables définies avant les interactions qui fixent les paramètres, ni l'affirmation selon laquelle les valeurs des deux spins sont décidées avant la mesure ne viole le principe d'incertitude. Le système A semble être défini par une fonction d'onde dans laquelle, comme l'a souligné Schrödinger après la mesure indirecte en B, la valeur mesurée indirectement est "complètement nette" selon les termes de Schrödinger, mais la valeur mesurée directement est "complètement incertaine".
Bien que x et p soient continus et donc apparemment non soumis à cette contrainte, Schrödinger soutient que lorsque deux valeurs d'observation sont mesurées simultanément, x2 + p2 a en outre remis en question la validité des valeurs simultanées pour la position x et le moment p en montrant que sa valeur doit être un entier unique.
Source : physics.aps.org/articles/v16/92
📩 01/06/2023 12:52