C’est la question centrale de la mécanique quantique, et personne ne connaît la réponse : Que se passe-t-il vraiment dans une superposition – la circonstance particulière dans laquelle les particules semblent se trouver à deux ou plusieurs endroits ou états à la fois ? En 2018, une équipe de chercheurs en Israël et au Japon a proposé une expérience qui pourrait enfin nous permettre de dire quelque chose de sûr sur la nature de ce phénomène déroutant.
Leur expérience a été conçue pour permettre aux scientifiques de jeter un coup d’œil furtif sur l’endroit où un objet – dans ce cas une particule de lumière, appelée photon – réside réellement lorsqu’il est placé dans une superposition. Et les chercheurs prédisent que la réponse sera encore plus étrange et plus choquante que « deux endroits à la fois ».
L’exemple classique d’une superposition consiste à tirer des photons sur deux fentes parallèles d’une barrière. Un aspect fondamental de la mécanique quantique est que de minuscules particules peuvent se comporter comme des ondes, de sorte que celles qui passent par une fente « interfèrent » avec celles qui passent par l’autre, leurs ondulations se renforçant ou s’annulant mutuellement pour créer un motif caractéristique sur un écran de détecteur. Ce qui est étrange, cependant, c’est que cette interférence se produit même si une seule particule est tirée à la fois. La particule semble en quelque sorte passer par les deux fentes à la fois, interférant avec elle-même. C’est une superposition.
Et c’est encore plus étrange : Mesurer par quelle fente passe une telle particule indiquera invariablement qu’elle n’en traverse qu’une seule – mais alors l’interférence ondulatoire (le « caractère quantique », si vous voulez) disparaît. L’acte même de la mesure semble « effondrer » la superposition. « Nous savons que quelque chose de louche se passe dans une superposition », explique le physicien Avshalom Elitzur, de l’Institut israélien de recherche avancée. « Mais on n’a pas le droit de le mesurer. C’est ce qui rend la mécanique quantique si diabolique. »
Depuis des décennies, les chercheurs piétinent devant cette impasse apparente. Ils ne peuvent pas dire exactement ce qu’est une superposition sans la regarder, mais s’ils essaient de la regarder, elle disparaît. Une solution potentielle – développée par l’ancien mentor d’Elitzur, le physicien israélien Yakir Aharonov, aujourd’hui à l’université Chapman, et ses collaborateurs – suggère un moyen de déduire quelque chose sur les particules quantiques avant de les mesurer. L’approche d’Aharonov s’appelle le formalisme TSVF (two-state-vector formalism) de la mécanique quantique et postule que les événements quantiques sont en quelque sorte déterminés par des états quantiques non seulement dans le passé, mais aussi dans le futur. En d’autres termes, le TSVF suppose que la mécanique quantique fonctionne de la même manière en avant et en arrière dans le temps. Dans cette perspective, les causes peuvent sembler se propager en arrière dans le temps, survenant après leurs effets : un phénomène appelé rétrocausation.
Mais il ne faut pas prendre cette étrange notion au pied de la lettre. Au contraire, dans le TSVF, on peut acquérir une connaissance rétrospective de ce qui s’est passé dans un système quantique en sélectionnant le résultat : Au lieu de simplement mesurer où une particule aboutit, un chercheur choisit un endroit particulier où la chercher. C’est ce que l’on appelle la post-sélection, qui fournit plus d’informations que n’importe quel coup d’œil inconditionnel sur les résultats. En effet, l’état de la particule à chaque instant est évalué rétrospectivement à la lumière de toute son histoire, jusqu’à la mesure incluse. La bizarrerie vient du fait qu’il semble que le chercheur – en choisissant simplement de chercher un résultat particulier – provoque ensuite ce résultat. Mais c’est un peu comme conclure que si vous allumez votre télévision lorsque votre programme préféré est programmé, votre action provoque la diffusion de ce programme à ce moment précis. « Il est généralement admis que le TSVF est mathématiquement équivalent à la mécanique quantique standard », déclare David Wallace, philosophe des sciences à l’université de Californie du Sud, spécialisé dans les interprétations de la mécanique quantique. « Mais cela conduit à voir certaines choses que l’on n’aurait pas vues autrement »
Prenez, par exemple, une version de l’expérience de la double fente conçue par Aharonov et son collègue Lev Vaidman de l’université de Tel Aviv en 2003, qu’ils ont interprétée avec la TSVF. Le couple a décrit (sans le construire) un système optique dans lequel un photon unique agit comme un « obturateur » qui ferme une fente en faisant en sorte qu’un autre photon « sonde » s’approchant de la fente soit renvoyé dans le sens de son arrivée. En appliquant la post-sélection aux mesures du photon sonde, Aharonov et Vaidman ont montré que l’on pouvait discerner un photon obturateur dans une superposition fermant les deux fentes (ou un nombre arbitraire de fentes) simultanément. En d’autres termes, cette expérience de pensée permettrait en théorie d’affirmer avec certitude que le photon de l’obturateur est à la fois « ici » et « là ». Bien que cette situation semble paradoxale par rapport à notre expérience quotidienne, c’est l’un des aspects bien étudiés des propriétés dites non locales des particules quantiques, où toute la notion d’un emplacement bien défini dans l’espace se dissout.
En 2016, les physiciens Ryo Okamoto et Shigeki Takeuchi de l’université de Kyoto ont vérifié expérimentalement les prédictions d’Aharonov et Vaidman en utilisant un circuit porteur de lumière dans lequel le photon obturateur est créé à l’aide d’un routeur quantique, un dispositif qui permet à un photon de contrôler le chemin emprunté par un autre. « C’était une expérience pionnière qui permettait de déduire la position simultanée d’une particule à deux endroits », explique Eliahu Cohen, collègue d’Elitzur, de l’Université d’Ottawa (Ontario).
Maintenant, Elitzur et Cohen se sont associés à Okamoto et Takeuchi pour concocter une expérience encore plus époustouflante. Ils pensent qu’elle permettra aux chercheurs de dire avec certitude quelque chose sur l’emplacement d’une particule dans une superposition à une série de points différents dans le temps – avant qu’aucune mesure réelle n’ait été effectuée.
Cette fois, le trajet du photon sonde serait divisé en trois par des miroirs partiels. Le long de chacun de ces chemins, il peut interagir avec un photon d’obturateur en superposition. On peut considérer que ces interactions ont lieu à l’intérieur de boîtes étiquetées A, B et C, dont l’une est située le long de chacun des trois chemins possibles du photon. En observant l’auto-interférence du photon sonde, on peut rétrospectivement conclure avec certitude que la particule de l’obturateur se trouvait dans une boîte donnée à un moment précis.
L’expérience est conçue de manière à ce que le photon sonde ne puisse présenter des interférences que s’il a interagi avec le photon de l’obturateur dans une séquence particulière de lieux et de moments : à savoir, si le photon de l’obturateur se trouvait à la fois dans les boîtes A et C à un moment donné (t1), puis à un moment ultérieur (t2) uniquement dans C, et à un moment encore ultérieur (t3) à la fois dans B et C. Ainsi, l’interférence dans le photon de la sonde serait un signe définitif que le photon de l’obturateur a fait cette séquence bizarre, défiant la logique, d’apparitions disjointes parmi les boîtes à différents moments – une idée qu’Elitzur, Cohen et Aharonov ont proposée comme une possibilité en 2017 pour une seule particule répartie sur trois boîtes. « J’aime la façon dont cet article cadre les questions sur ce qui se passe en termes d’histoires entières plutôt que d’états instantanés », déclare le physicien Ken Wharton de l’Université d’État de San José, qui n’est pas impliqué dans le nouveau projet. « Parler d' »états » est un vieux préjugé omniprésent, alors que les histoires complètes sont généralement bien plus riches et intéressantes. »
Cette richesse, affirment Elitzur et ses collègues, est ce à quoi le TSVF donne accès. La disparition apparente de particules à un endroit à un moment donné – et leur réapparition à d’autres moments et à d’autres endroits – suggère une vision extraordinaire des processus sous-jacents impliqués dans l’existence non locale des particules quantiques. Selon Elitzur, cette existence vacillante et changeante peut être comprise comme une série d’événements dans lesquels la présence d’une particule à un endroit est « annulée » par sa propre « contre-particule » au même endroit. Il compare cela à l’idée introduite par le physicien britannique Paul Dirac dans les années 1920, qui affirmait que les particules possèdent des antiparticules, et que si elles sont réunies, une particule et une antiparticule peuvent s’annihiler mutuellement. Au début, cette notion semblait n’être qu’une façon de parler, mais elle a rapidement conduit à la découverte de l’antimatière. La disparition des particules quantiques n’est pas une « annihilation » dans ce même sens, mais elle est quelque peu analogue : ces contre-particules putatives, postule Elitzur, devraient posséder une énergie négative et une masse négative, ce qui leur permettrait d’annuler leurs homologues.
Alors, bien que la vision traditionnelle « deux endroits à la fois » de la superposition puisse sembler assez étrange, « il est possible qu’une superposition soit une collection d’états encore plus fous », dit Elitzur. « La mécanique quantique vous renseigne simplement sur leur moyenne. » La postsélection permet alors d’isoler et d’inspecter certains de ces états avec une plus grande résolution, suggère-t-il. Une telle interprétation du comportement quantique serait, dit-il, « révolutionnaire »-parce qu’elle impliquerait une ménagerie jusqu’ici insoupçonnée d’états réels (mais très bizarres) sous-jacents aux phénomènes quantiques contre-intuitifs.
Okamoto et ses collègues de Kyoto ont maintenant réalisé l’expérience proposée en utilisant des photons, mais ils analysent encore les résultats. Tout de même, dit Cohen, « les résultats préliminaires s’accordent bien avec la théorie. » Il ajoute que les chercheurs japonais apportent actuellement des améliorations à la configuration afin de réduire les barres d’erreur.
Pour l’instant, certains observateurs extérieurs n’attendent pas vraiment en retenant leur souffle. « L’expérience est appelée à fonctionner », dit Wharton – mais il ajoute qu’elle « ne convaincra personne de quoi que ce soit, puisque les résultats sont prédits par la mécanique quantique standard. » En d’autres termes, il n’y aurait aucune raison impérieuse d’interpréter le résultat en termes de TSVF plutôt qu’une des nombreuses autres façons dont les chercheurs interprètent le comportement quantique.
Elitzur convient que leur expérience aurait pu être conçue en utilisant la vision conventionnelle de la mécanique quantique qui prévalait il y a des décennies – mais elle ne l’a jamais été. « N’est-ce pas là une bonne indication de la solidité du TSVF ? », demande-t-il. Et si quelqu’un pense pouvoir formuler une image différente de « ce qui se passe réellement » dans cette expérience en utilisant la mécanique quantique standard, il ajoute : « Eh bien, qu’il aille de l’avant ! »
Il est convaincu que ces travaux annoncent « rien de moins qu’une révolution au sein de la mécanique quantique ». Maintenant que les méthodes de mesure sont devenues suffisamment précises, dit-il, « on peut être sûr que des notions comme la rétrocausation vont faire partie intégrante de la réalité quantique. »
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