Une confirmation expérimentale du paradoxe de Hardy

En 1992, Lucien Hardy, maintenant professeur à l’IP, a proposé une expérience conceptuelle constituant une preuve simple du principe de non-localité en physique quantique. Sa proposition a d’abord été connue sous le nom de paradoxe de Hardy même si, à strictement parler, c’est plutôt un théorème. Selon le schéma classique du comportement des particules, lorsque de la matière et de l’antimatière se rencontrent, elles devraient s’annihiler dans un jaillissement d’énergie. Mais le théorème de Hardy affirme qu’il est théoriquement possible que, dans certains cas, lorsque l’on n’observe pas d’interaction entre une particule et une antiparticule, elles puissent néanmoins interagir l’une avec l’autre et survivre.

Au cours des derniers mois, deux équipes travaillant de manière indépendante ont fourni une confirmation expérimentale du théorème de Hardy. Dans un article publié dans la revue Physical Review Letters, Aephraim Steinberg, professeur associé de l’Institut Périmètre, et Jeff Lundeen, tous deux de l’Université de Toronto, ont employé une technique dite de « mesure faible conjointe » de l’emplacement de paires de photons intriqués, qui jouaient le rôle des couples particule-antiparticule du théorème de Hardy (Physical Review Letters, vol. 102, 020404). La technique de mesure faible a été inventée par Yakir Aharonov, titulaire d’une chaire de chercheur distingué de l’Institut Périmètre et professeur de physique théorique de la matière condensée à l’Université Chapman. La technique de mesure faible permet de mesurer des états quantiques, que l’on ne pourrait normalement pas mesurer sans les détruire. Elle consiste à ne pas recueillir assez d’information à propos d’une interaction pour en faire une mesure « complète », puis de rassembler ces résultats partiels de telle sorte que leur somme donne des mesures significatives. Dans des travaux réalisés indépendamment et publiés peu après dans la revue New Journal of Physics, Kazuhiro Yokota, de l’Université d’Osaka, et ses collègues ont également confirmé la validité du théorème de Hardy, en utilisant un montage expérimental légèrement différent, qui faisait appel lui aussi à la technique de mesure faible (New Journal of Physics, vol. 11, 033011).

Dans les deux cas, des paires de photons ont été intriquées par polarisation. Dans l’expérience conceptuelle de Hardy, les photons sont des substituts raisonnables de couples particule-antiparticule, puisqu’ils obéissent aux mêmes règles de la mécanique quantique. En utilisant des paires d’interféromètres, les chercheurs ont pu obtenir des mesures faibles conjointes qui n’interféraient pas avec la trajectoire des photons. Les deux équipes ont mesuré davantage de photons à certains détecteurs et moins de photons dans d’autres par rapport à ce que la physique classique aurait prédit, confirmant le théorème de Hardy. M. Steinberg a déclaré : « Jusqu’à récemment, il semblait impossible de réaliser en pratique la proposition de Lucien Hardy, et encore moins de confirmer son théorème. Nous y sommes finalement parvenus, en appliquant à ce problème les méthodes d’Aharonov, montrant du même coup que, même en mécanique quantique, il y a moyen de parler de manière cohérente d’événements passés même après qu’ils soient terminés. » [traduction]

Ces résultats constituent une étape importante, parce qu’ils peuvent offrir un moyen de contourner le fait que l’observation modifie de manière inhérente un système quantique. En plus de l’intérêt du résultat lui-même, les techniques employées par les deux équipes de chercheurs seront probablement utiles en métrologie quantique et dans la technologie de l’information quantique.