mesure d'intrication

Le vent porte le pollen, et chaque grain semble se déplacer de lui-même. Mais dès que l'air se met à tourbillonner, les trajectoires du pollen ne peuvent plus être séparées — elles sont emmêlées.

Un pendule pesant quelques grains de sable se balance au bout d'un fil de verre extrêmement fin. Ses mouvements sont si faibles que les chocs thermiques des molécules d'air semblent être un ouragan. Mais c'est précisément un tel pendule qui détient la clé pour observer les merveilles quantiques dans le monde des objets de grande taille.

Une chaîne quantique ressemble à une guirlande lumineuse où les ampoules sont les spins des particules. Idéalement, toutes les ampoules clignotent en synchronie, suivant un rythme commun — c'est la symétrie. Mais si l'on coupe un morceau de la guirlande, le rythme peut se dérégler : à l'intérieur du segment, la symétrie est brisée.

On peut enfermer la lumière ou le son dans une zone minuscule d'un cristal, comme une perle dans sa coquille. Habituellement, on utilise deux méthodes. La première ressemble à une boule lourde dans un creux : une particule de grande masse ne peut tout simplement pas en sortir. La seconde est une cage idéale faite de miroirs, où les ondes s'annulent partout sauf dans le piège.

On jette une poignée de phosphore dans du silicium — et à une certaine concentration d'impuretés, le matériau se met soudain à conduire le courant. C'est une transition de phase métal-isolant, et elle se produit par saut.

Tout instrument de mesure est perturbé par le bruit quantique — ce frémissement chaotique des particules élémentaires. Pour l'apprivoiser, des physiciens ont appliqué aux molécules de fluorure de calcium une astuce comparable à la compression d'un ballon de baudruche : on appuie à un endroit, et cela gonfle à un autre.

Un trou noir acoustique est un flux de fluide plus rapide que le son, si bien que les ondes sonores ne peuvent pas s'en échapper. La frontière — la surface où la vitesse du flux atteint la vitesse du son — engendre des paires de phonons : des quanta de son dont l'un s'éloigne tandis que l'autre tombe vers l'intérieur.

Deux photons intriqués s'éloignent dans des directions opposées, mais continuent de se comporter comme un seul ensemble : la mesure de l'un détermine instantanément l'état de l'autre. C'est cela, l'intrication quantique. Cependant, elle ressemble parfois à un espion expérimenté : elle ne laisse aucune trace visible lors d'un contrôle ordinaire.

Deux minuscules toupies s'éloignent après un choc. Leur rotation n'est pas prédéterminée — elle ne devient définie qu'au moment de la mesure. C'est cela, l'intrication quantique : l'état d'une toupie répond instantanément à l'état de l'autre, où qu'elles se trouvent.

L'intrication quantique ressemble à une toile invisible qui relie les particules, même si on les sépare de grandes distances. Dans les grands systèmes — par exemple, dans un morceau de matériau — cette toile peut soit rapidement envelopper tous les atomes, soit s'emmêler en un nœud et rester sur place.

Deux photons s'échappent d'un même point dans la poitrine d'un patient. Ce sont des jumeaux : si l'on modifie l'un, on connaît instantanément l'autre. Cette relation est appelée intrication quantique. Lors d'un examen TEP, ces paires naissent à l'intérieur du corps lorsque la substance radioactive injectée rencontre les électrons des tissus.

Deux particules qui s'éloignent dans des directions opposées se comportent comme un tout : la mesure de l'une détermine instantanément l'état de l'autre. Cette intrication quantique est connue depuis longtemps pour les particules légères, mais c'est la première fois qu'on l'observe chez les bosons Z, les lourds porteurs de l'interaction faible.

Dans la théorie quantique, une particule peut courir simultanément sur deux sentiers. Lors d'une mesure, on ne la surprend que sur l'un d'eux. Selon Niels Bohr, toutes les autres possibilités disparaissent instantanément — comme une branche arrachée du tronc.

Deux jumeaux se ressemblent, mais l'un est gaucher et l'autre droitier. Dans le monde des particules élémentaires, il existe des paires similaires : Ξ- et son antiparticule Ξ+. Elles naissent ensemble lors de la désintégration de la particule J/ψ et, comme des jumeaux intriqués, restent liées même à distance.

Un bon cuisinier goûte sa soupe et ajoute une pincée de sel. Une balance ordinaire ne la détecterait pas, mais une balance sensible, si. Dans le monde quantique, ce rôle de balance est joué par des paires de particules intriquées. On croyait auparavant que l'intrication devait être maximale, sinon la précision n'augmenterait pas.

Au Grand collisionneur de hadrons, en accélérant des particules à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, on produit des quarks top — les briques les plus lourdes du modèle standard.

Deux photons sortent d'une petite boîte — et se comportent comme des jumeaux toujours habillés à l'identique. Tournez l'un, l'autre tourne aussitôt de la même façon, même si on les sépare de plusieurs kilomètres. Ce n'est pas un tour de magie, mais de l'intrication quantique : une connexion entre particules qui ne dépend pas de la distance.

Une lampe de poche dans un épais brouillard ne sert à rien : le faisceau se disperse et la lumière réfléchie se noie dans les interférences. Mais si l'on relie deux photons par un fil invisible, l'un d'eux peut traverser le brouillard et revenir, tandis que l'autre reste en sécurité.

Les capteurs quantiques ressemblent à un orchestre où les musiciens jouent à l'unisson : leurs états intriqués permettent de capter des signaux inaccessibles aux instruments ordinaires.

Quatorze atomes de rubidium se sont alignés comme des perles sur un fil. Chaque atome est un minuscule aimant qui peut pointer vers le haut ou vers le bas. Ensemble, ils obéissent à des règles strictes, semblables à un horaire de trains : tout est prévisible, tout se répète. Mais il suffit d'une modification à peine perceptible pour que l'horaire déraille.

Dans le monde quantique, la collision de particules ne les détruit pas, mais les enlace en un nœud indissoluble : états internes et mouvements s'entremêlent comme des fils. Des scientifiques ont développé une méthode universelle permettant de mesurer cette intrication directement à partir des données de collision.

Le noyau atomique n'est pas simplement un sac de protons et de neutrons. C'est un système quantique où les particules sont liées par des fils invisibles d'intrication. Lorsque deux protons ou deux neutrons interagissent, leurs états s'entrelacent de telle sorte qu'il est impossible de décrire l'un sans l'autre.

Deux muons naissent de la désintégration d'un méson êta et s'éloignent, liés par l'intrication quantique. Une expérimentatrice, Alice, mesure le spin du muon négatif, tandis qu'un autre, Bob, enregistre la direction du positron issu de la désintégration du muon positif.

La mécanique quantique nous a offert une image envoûtante : l'état d'un système n'est pas un point figé, mais une onde de possibilités qui danse dans un espace abstrait. Grâce aux travaux de Schrödinger et de Dirac, nous la représentons par des vecteurs dans un espace de Hilbert.

Une pierre tombe dans l'eau — et des cercles se propagent autour. Dans le monde quantique, une impureté magnétique (cette fameuse pierre) dans un métal perturbe les électrons environnants, qui forment autour d'elle un nuage particulier. On l'appelle le nuage de Kondo. Comme des cercles dans l'eau dans l'obscurité, il est resté longtemps insaisissable.