vignette|redresse=1.3|Alain Aspect explique son expérience En mécanique quantique, l'expérience d'Aspect est la première expérience montrant la violation des inégalités de Bell, établissant un résultat irréfutable en vue de la validation du phénomène d'intrication quantique et des hypothèses de non-localité. Elle apporte ainsi une réponse expérimentale au paradoxe EPR proposé une cinquantaine d'années plus tôt par Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen.
Cette expérience a été réalisée par le physicien français Alain Aspect à l'Institut d'Optique à Orsay entre 1980 et 1982. Il a reçu pour cela le prix Nobel de physique en 2022. Son importance a été immédiatement reconnue par la communauté scientifique, valant même à cette expérience la couverture du magazine de vulgarisation Scientific American. Bien que la méthodologie mise en œuvre présente une faille potentielle, l'échappatoire de détection, le résultat est jugé décisif et donne lieu par la suite à de nombreuses autres expériences confirmant l'expérience originelle.
Contexte scientifique et historique Afin de comprendre l'expérience en elle-même, il est nécessaire de la replacer dans le contexte historique et scientifique qui a amené à sa réalisation.
Intrication, paradoxe EPR et inégalités de Bell Intrication quantique
L'intrication quantique est un phénomène qui a été pour la première fois théorisé par Erwin Schrödinger en 1935..
La mécanique quantique stipule que deux systèmes quantiques différents (deux particules par exemple) ayant interagi, ou ayant une origine commune, ne peuvent pas être considérés comme deux systèmes indépendants. Dans le formalisme quantique, si le premier système possède un état et le second un état , alors le système intriqué résultant est représenté par une superposition quantique du produit tensoriel de ces deux états : . Dans cette notation, il apparaît nettement que l'éloignement physique des deux systèmes ne joue aucun rôle dans l'état d'intrication (car il n'apparaît aucune variable de position). L'état quantique intriqué reste identique — toutes choses étant égales par ailleurs — quel que soit l'éloignement des deux systèmes.
Par conséquent, si une opération de mesure est effectuée sur ce système quantique intriqué, alors cette opération est valable pour les deux systèmes composant l'intricat : les résultats des mesures des deux systèmes sont corrélés.
Paradoxe EPR
Ce résultat a profondément choqué Albert Einstein, qui avait une vision réaliste locale de la physique. Cette vision mène à la conclusion que si l'acte de mesure influe sur les deux systèmes, il existerait une influence se propageant d'un système à l'autre, à une vitesse non limitée par celle de la lumière. Le formalisme quantique prévoit que l'influence de l'acte de mesure sur les deux composantes d'un système intriqué a un effet instantané sur ses deux composantes, quel que soit leur éloignement.
Toujours en 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen (EPR) ont alors imaginé une expérience de pensée qui, si on estimait que les états intriqués existent réellement, mène à un paradoxe : soit une influence se déplace plus vite que la lumière (non-causalité), soit la physique quantique est incomplète. Aucun des deux termes de l'alternative n'était acceptable à l'époque, d'où le paradoxe.
Ce paradoxe était d'une grande importance historique, mais n'a pas eu de retentissement immédiat. Seul Niels Bohr a pris au sérieux l'objection apportée par ce paradoxe, et a tenté d'y répondre. Mais cette réponse était d'ordre qualitatif et rien ne permettait de trancher de manière indubitable entre les deux points de vue. Ainsi, la réalité de l'intrication restait alors une question de point de vue sans support expérimental direct, l'expérience EPR n'étant pas réalisable (à cette époque) en pratique.
En effet, deux obstacles majeurs s'opposaient à la réalisation de cette expérience : d'une part les moyens techniques de l'époque étaient insuffisants, mais aussi (et surtout) il n'y avait apparemment aucun moyen de mesurer directement (par des critères quantitatifs) les effets EPR.
Remarquons que cette simultanéité, quel que soit le sens qu'on lui donnePar exemple si un homme marié se trouvant à plusieurs années-lumière meurt, alors sa femme se retrouve ipso facto veuve aussi, indépendamment du fait que la constatation en demandera plusieurs années, ne pourra être constatée que par la comparaison des deux mesures distantes, elle-même limitée par la vitesse de la lumière. Elle ne peut avoir une influence causale, ou transmettre une information, rendant cette propriété compatible avec la théorie de la relativité selon laquelle aucune information ne peut se propager à une vitesse superluminique.
Inégalités de Bell
Les choses sont restées à peu près en l'état jusqu'en 1964. Le physicien irlandais John Stewart Bell publia alors un article dans lequel il mit en évidence des effets quantitatifs et mesurables des expériences de type EPR. Ce sont les fameuses inégalités de Bell. Ces inégalités sont des relations quantitatives que doivent vérifier les corrélations de mesures entre systèmes qui respectent totalement la causalité relativiste. Si ces inégalités sont violées, alors il faut admettre des influences instantanées à distance.
Ces inégalités permettaient de lever un des deux obstacles à la réalisation d'expériences EPR. Mais en 1964, les moyens techniques étaient toujours insuffisants pour mettre en place concrètement ce type d'expérience.
Premières expériences de test des inégalités de Bell
La réalisation d'expériences EPR a commencé à être techniquement envisageable à partir de 1969, un article ayant été publié montrant la faisabilité d'une expérience.
Deux universités, Harvard et Berkeley, ont commencé à mettre en œuvre un protocole expérimental sur ces bases, et les expériences ont eu lieu en 1972. Les résultats furent contradictoires : Harvard constata une vérification des inégalités de Bell, et par conséquent une contradiction avec les prédictions de la physique quantique. Berkeley trouva au contraire une violation des inégalités de Bell, et une vérification de la physique quantique.
Le problème avec ces expériences était notamment une source de particules intriquées peu fiable et à faible débit, ce qui nécessitait des temps d'expériences s'étendant sur plusieurs jours en continu. Or, il est excessivement difficile de maintenir des conditions expérimentales constantes et maîtrisées sur un temps aussi long, surtout avec des expériences aussi délicates. Les résultats des deux expériences étaient donc sujets à caution.
En 1976, la même expérience fut répétée à Houston avec une meilleure source de photons intriqués, de débit plus élevé. Cela permettait de descendre le temps de l'expérience à 80 minutes. En contrepartie, les photons n'étaient pas polarisés de manière optimale pour faire apparaître clairement les violations des inégalités de Bell : cette expérience montra une violation des inégalités de Bell, mais celle-ci était faible, et le doute était encore permis.
En fait, ces expériences n'étaient pas assez élaborées pour évacuer la possibilité de corrélations (qui entraînent une violation des inégalités de Bell) qui serait dues à une influence ou à un signal quelconque, classique, de vitesse infra-luminique se propageant entre les deux particules.
Enfin, le schéma expérimental utilisé par toutes ces expériences était très éloigné du schéma « idéal » utilisé par John Bell pour démontrer ses inégalités : on n'était donc pas certain que les inégalités de Bell puissent s'appliquer telles quelles à ces expériences.
Les expériences d'Aspect (1980-1982)
Il manquait alors une expérience décisive vérifiant la réalité de l'état d'intrication quantique, sur la base de la violation des inégalités de Bell. Alain Aspect proposa en 1975 une expérience suffisamment rigoureuse pour être irréfutable, qu'il décrivit dans son article : .
Alain Aspect a spécifié son expérience pour qu'elle puisse être la plus décisive possible, c'est-à-dire :
Elle doit avoir une excellente source de particules intriquées, afin d'avoir un temps d'expérience court, et une violation la plus nette possible des inégalités de Bell. Elle doit mettre en évidence non seulement qu'il existe des corrélations de mesure, mais aussi que ces corrélations sont bien dues à un effet quantique (et par conséquent à une sorte d'influence instantanée), et non à un effet classique qui se propagerait à une vitesse inférieure ou égale à celle de la lumière entre les deux particules. Le schéma expérimental doit être le plus proche possible du schéma utilisé par John Bell pour démontrer ses inégalités, afin que l'accord entre les résultats mesurés et prédits soit le plus significatif possible.
Rappel du schéma « idéal » de John Bell
centré|Expérience « idéale » EPR
Le schéma ci-dessus représente le schéma de principe à partir duquel John Bell a démontré ses inégalités : une source de photons intriqués S émet simultanément deux photons et dont la polarisation est préparée de telle manière que le vecteur d'état de l'ensemble des deux photons soit :
Cette formule signifie tout simplement que les photons sont en état superposé : tous les deux en polarité verticale, ou tous deux en polarité horizontale, perpendiculaire, avec une probabilité égale.
Ces deux photons sont ensuite mesurés par deux polariseurs P1 et P2, chacun ayant un angle de mesure paramétrable α et β. Le résultat de la mesure de chaque polariseur est (+) ou (–) selon que la polarisation mesurée est respectivement parallèle ou perpendiculaire à l'angle de mesure du polariseur.
Il y a un point important à souligner ici : les polariseurs imaginés dans cette expérience idéale donnent un résultat mesurable dans le cas (+) ET dans le cas (–). Ce n'est pas le cas de tous les polariseurs réels : certains détectent le cas (+) par exemple, et ne détectent rien (le photon ne ressort pas du polariseur) pour le cas (–). Les premières expériences, relatées ci-dessus, utilisaient ce genre de polariseur. Les polariseurs utilisés par Alain Aspect détectent bien les deux cas (+) et (–), se rapprochant ainsi de l'expérience idéale.
Étant donné le dispositif et l'état de polarisation initial donné aux photons, la mécanique quantique permet de prédire les probabilités de mesurer (+,+), (–,–), (+,–) et (–,+) sur les polariseurs (P1,P2), orientés sur les angles ; pour rappel :
On peut démontrer (voir article Inégalités de Bell) que la violation maximale des inégalités est prévue pour °.
Description du dispositif expérimental
Alain Aspect (avec la collaboration des physiciens Philippe Grangier, Gérard Roger et Jean Dalibard) a réalisé un certain nombre d'expériences, de plus en plus complexes, entre 1980 et 1982.
Seule l'expérience la plus complète, réalisée en 1982, et s'approchant le plus des spécifications initiales sera décrite ici. C'est pourtant, selon ses mots rapportés par Stéphane Deligeorges et Anita Castiel, celle "paraît-il la plus citée, mais, singulièrement, la moins précise des trois expériences."dir. Stéphane Deligeorges, Le Monde Quantique, Sciences & Avenir, 1984 Voir le chapitre "au crible de l'expérience, une interview d'ALain Aspect" pp 129 à 139
Source de photons
Les premières expériences réalisées testant les inégalités de Bell, possédaient des sources de photons de faible intensité, nécessitant des temps d'expérience en continu de l'ordre de la semaine. Une des premières améliorations apportée par Alain Aspect est d'utiliser une source de photons de plusieurs ordres de grandeur plus efficace. Cette source permet un taux de détection de 100 photons par seconde, aboutissant à un temps d'expérience maximal de 100 secondes.
La source utilisée est une cascade atomique d'atomes de calcium, excitée à l'aide d'un laser à krypton.
Polariseurs à orientation variable et en position éloignée