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Une confrontation pour la mécanique quantique

Comment met-on à l’épreuve une théorie comme la mécanique quantique? Une méthode consiste à élaborer des théories concurrentes et à les faire s’affronter deux par deux.

La mécanique quantique est depuis plus d’un siècle une théorie physique fondamentale, mais elle n’est pas la seule. Elle fait partie d’un vaste ensemble de théories qui pourraient le cas échéant lui faire concurrence, notamment la théorie « du monde cubique », la théorie « quasi quantique », la théorie du jeu de Spekkens, etc.

La définition du spectre complet des possibilités de telles théories constitue une avenue de recherche fructueuse depuis que Lucien Hardy a publié en 2001, peu avant de devenir professeur à l’Institut Périmètre, son article sur les théories probabilistes généralisées.

Historiquement, les chercheurs dans le domaine des fondements quantiques ont tenté d’exclure beaucoup de concurrents potentiels de la physique quantique, en démontrant que ces théories violent des principes qui devraient normalement être respectés dans toute théorie physique raisonnable.

Mais une autre méthode consiste à créer des situations où les théories s’affrontent. Les scientifiques recherchent des cas où les théories prédisent des résultats différents, puis mettent au point des expériences pour vérifier quelles prédictions sont correctes. Autrement dit, ils se servent de données expérimentales pour diminuer le nombre d’options plausibles dans le spectre des théories possibles.

Récemment, une équipe mise sur pied par Robert Spekkens, professeur à l’Institut Périmètre, a organisé des affrontements dans un contexte qu’elle a elle-même défini. C’était la première fois qu’une telle expérience — dont on parlait depuis longtemps — était effectivement réalisée, et les résultats obtenus semblent déjà constituer une avancée importante dans le domaine. L’équipe était constituée de Robert Spekkens et de Matthew Pusey, alors postdoctorant à l’Institut Périmètre (il travaille maintenant à l’Université d’Oxford), ainsi que des expérimentateurs Kevin Resch et Michael Mazurek, de l’Institut d’informatique quantique de l’Université de Waterloo.

L’expérience qu’ils ont conçue était délibérément simple. Un dispositif préparait des photons (particules de lumière) individuels de diverses manières. À l’autre bout du montage, un autre dispositif mesurait les photons de diverses manières. Chaque combinaison de préparation et de mesure a été exécutée de nombreuses fois, jusqu’à ce qu’il y ait assez de données pour montrer la fréquence à laquelle chaque résultat survenait.

Après avoir recueilli les données, l’équipe s’est concentrée sur leur analyse — ce qui s’est avéré délicat. Il fallait trouver une manière d’analyser les données sans supposer au départ que la mécanique quantique est la bonne théorie : comment peut-on vérifier si la mécanique quantique est vraie ou non, si l’analyse des données implique qu’elle l’est?

Les questions soulevées sont subtiles, et l’analyse quantitative a été très exigeante. Mais les résultats sont magnifiques. Les chercheurs se sont servis de certains outils mathématiques pour transformer leur tableau des probabilités mesurées en une forme facile à visualiser — au point où même un profane peut l’évaluer. Pour se limiter à un seul jeu de prédictions et de résultats, la mécanique quantique prédit que la forme décrite par l’ensemble de tous les états devrait être une sphère. La théorie concurrente dite Box World theory (théorie du monde cubique) prédit que cette forme devrait être un cube.

Les résultats de l’expérience ressemblent à ceci :

Dans la figure du haut, la forme qui ressemble à un ballon de soccer bleu décrit toutes les manières de mélanger les 100 états préparés dans la première phase de l’expérience. Dans la figure du bas, la forme en bleu décrit la même chose pour une seconde phase de l’expérience où 1 000 états avaient été préparés.

Dans les 2 cas, l’armature de fils légèrement plus grande qui entoure la forme en bleu décrit la collection d’états logiquement possibles à partir des données. Une théorie qui décrit le monde doit entrer dans l’espace entre le « ballon » et l’« armature ».

Les figures montrent clairement que l’expérience correspond à la sphère prédite par la mécanique quantique et exclut le cube prédit par la théorie du monde cubique. Comme de petites déviations par rapport à une sphère sont encore possibles, il y a de la place pour des concurrents moins radicaux de la physique quantique. Ou, en langage technique, le résultat fixe des limites expérimentales sur l’espace des théories probabilistes concurrentes.

En physique, contrairement à de véritables confrontations sportives, il n’existe pas de champion incontesté, et il y a ici d’importantes réserves sur le fait de savoir si les états définis et les mesures effectuées dans l’expérience étaient « tomographiquement complets ». Mais pour le moment, la mécanique quantique est sortie clairement victorieuse de son premier affrontement.

Source de l’image en tête de l’article : Jeu de sumo téléchargeable de Canon

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