Expérience de la gomme quantique à choix retardé

L'expérience de la gomme quantique à choix retardé^[1] est une expérience de mécanique quantique qui forme une extension de celle d'Alain Aspect et des fentes d'Young en y introduisant ce qui semble être une rétroaction implicite dans le temps. Elle a été menée par Marlan Scully, B. -G. Englert, et H. Walther, d'où le nom quelquefois employé d'expérience ESW.

Schématiquement, deux systèmes identiques aux fentes d'Young sont installés en cascade.

On sait que l'incertitude quantique concernant le passage (éventuel !) de particules par l'une ou l'autre fente

• n'est levable que par un processus de détection,
• et subsiste en l'absence de celle-ci non seulement comme connaissance de l'expérimentateur, mais bien comme état du dispositif.

L'idée de Marlan Scully est de ne décider l'intervention de cet observateur qu'au dernier moment, tandis que la particule^[2] a déjà franchi la première série de fentes.

Les équations de la mécanique quantique imposent à la particule d'avoir vérifié lors du premier passage des conditions qui ne sont néenmoins stipulées que postérieurement, par intervention ultérieure du détecteur ou non. En d'autres termes, cette intervention du détecteur semble modifier le passé de la particule.

L'observation confirme pour l'instant ce résultat prévu, mais Marlan Scully ne se prononce pas toujours sur les enseignements qu'on peut ou non en tirer. John Wheeler s'est montré quelquefois moins réservé et a tenu à ce sujet des propos controversés sur la modification du passé par des processus d'observation (à moins, selon une autre interprétation du même phénomène, qu'il ne s'agisse d'une définition du présent par le résultat de l'observation de phénomènes passés — voir l'interprétation d'Everett).

Description de l'expérience

L'expérience est plus simple qu'il n'y paraît. Le système va être décrit progressivement, pour bien faire apparaître les idées derrière chaque élément de l'expérience.

Décrivons en premier lieu la première partie du système : si nous remplaçons les appareils B et C par de simples miroirs, nous nous retrouvons avec une variante de l'expérience des fentes de Young : le miroir semi-réfléchissant A provoque une interférence «du photon avec lui-même» et provoque une figure d'interférence en I. Il est important de bien comprendre l'expérience de Young avant de tenter de comprendre celle-ci.

En réalité, en B et en C, sont positionnés des «convertisseurs bas». Un «convertisseur bas» est un appareil qui, à partir d'un photon en entrée, crée deux photons en sortie, corrélés, et de longueur d'onde double comparé au photon en entrée. Étant corrélés, toute mesure effectuée sur un des deux photons de sortie nous renseigne sur l'état de l'autre photon. Par définition, un des deux photons en sortie sera nommé «photon signal» et l'autre «photon témoin». Il est important aussi de souligner que le «convertisseur bas» ne détruit pas l'état quantique du photon : il n'y a pas de «mesure» et l'état des deux photons en sortie respecte l'état de superposition du photon en entrée.

Maintenant, imaginons qu'il n'y ait pas de miroir semi-réfléchissant en D et en E. Ne pourrait-on pas détecter par quel chemin («par B» ou «par C») est passé le photon originellement émis ? Si le détecteur J se déclenche, c'est que le photon est passé par B, si c'est K, c'est que le photon est passé par C. Les «photons signaux» se comportant de la même manière que s'il y avait des miroirs en B ou en C, la figure d'interférence ne devrait-elle pas apparaître, tout en nous renseignant sur le chemin pris par le photon ? (ce serait en contradiction avec l'expérience de Young)

En réalité, non. La «mesure» effectuée par un des détecteur J ou K détruit l'état quantique des photons «signal» et «témoin» (ceux-ci étant quantiquement corrélés, voir paradoxe EPR), et aucune figure d'interférence n'apparaît en I. Nous retrouvons bien les résultats de l'expérience de Young.

Maintenant, considérons le système complet, représenté par la figure. Le photon témoin a une chance sur deux d'être réfléchi par le miroir D ou E. Dans ce cas il arrive en F et il n'y a alors plus moyen de savoir si le photon est passé par B ou par C. En effet, que le photon vienne de E ou de D, il a dans les deux cas une chance sur deux d'être détecté en H ou en G. Par conséquent la détection en H ou G ne permet pas de savoir d'où vient le photon. Ce miroir F est la «gomme quantique» imaginée par Sculley : il détruit l'information servant à savoir par quel chemin est passé le photon.

Cependant, si au lieu d'avoir été réfléchi par D ou E, le photon témoin a été détecté par J ou K, alors il est envisageable de savoir le chemin emprunté par le photon, et le photon signal correspondant enregistré en I ne contribue pas à faire une figure d'interférence. Les miroirs D et E "tirent au sort" - en quelque sorte - le destin du photon témoin : une chance sur deux de devenir un photon dont on connaît le chemin, une chance sur deux de devenir un photon dont le chemin est indéterminé.

Or, la distance BD (et a fortiori BF) peut être particulièrement supérieure à la distance BI, et de même pour respectivement CE/CF et CI. Et c'est le cas dans cette expérience. Donc, lorsque le photon signal vient impressionner la plaque photographique en I, le photon témoin n'a pas toujours atteint D ou E, et toujours moins F. C'est le "choix retardé" dont il est question dans l'expérience. Le résultat enregistré en I est par conséquent fixé avant que le photon témoin ait été détecté en J/K, ou en G/H.

Au moment où le photon signal impressionne I, le chemin du photon témoin est toujours indéterminé. La figure en I devrait par conséquent s'organiser toujours en figure d'interférence. Pourtant, un photon témoin sur deux en moyenne sera détecté en J/K, et les photons signaux correspondant ne doivent pas s'organiser en figure d'interférence (puisque on connaît le chemin emprunté). Comment le photon signal "sait-il" que le photon témoin sera détecté en J/K ou non ? Telle est la question principale de cette expérience.

Expérimentalement on constate qu'il n'y a jamais d'erreur : les photons signaux dont les photons témoins sont détectés en J/K ne s'organisent pas en figure d'interférence, les photons signaux dont les photons témoins sont détectés en G/H s'organisent en figure d'interférence (voir section suivante).

Figures d'interférences

Quand les impacts de photons sont matérialisés en I, on ne voit qu'un brouillard sans signification. C'est la corrélation entre chaque impact et le capteur qui sert à faire apparaître les franges d'interférence. Ici, les photons sont colorés selon le capteur qui les a reçus. Quand on sépare l'image en quatre, on voit nettement apparaître les figures d'interférence pour les photons détectés en G et H.

À noter que les deux figures 3. et 4. sont complémentaires, en opposition de phase. L'addition de ces deux figures donne une figure comparable à la figure 2. ou 1. Cela explique l'obligation de recevoir des corrélations pour faire apparaître les figures d'interférence. Sans corrélations, il n'y a aucun moyen de distinguer le cas 3. +4. du cas 5. +6.

1. La figure telle qu'elle est reçue en I	2. Corrélation entre les impacts et les 4 détecteurs	3. Photons corrélés avec le détecteur G
4. Photons corrélés avec le détecteur H	5. Photons corrélés avec le détecteur J	6. Photons corrélés avec le détecteur K

Note : Ces images sont des simulations

Enjeux et interprétations

L'aspect le plus spectaculaire de cette expérience est l'interprétation qu'on fait a posteriori de la figure d'interférence en I. Tant qu'on n'a pas reçu les informations de corrélation en provenance des détecteurs G et H (qui peuvent être, disons, à cent années-lumière !), il est impossible de déterminer si la figure en I contient ou non une figure d'interférence.

Si cela était envisageable, cela voudrait dire qu'on pourrait recevoir des messages du futur ! A titre d'exemple, si, en même temps que le photon, on émettait un message en destination d'un physicien (à cent années-lumière de là) lui demandant si, par exemple, la théorie des cordes est exacte ou non, et de remplacer les miroirs D/E par des miroirs idéalement réfléchissants si oui, et de les enlever si non, alors il serait envisageable de savoir immédiatement si la théorie des cordes est valable ou non en décryptant une figure d'interférence en I.

On pourrait alors véritablement parler de «rétroaction en provenance du futur». Mais tel n'est pas le cas. Certaines interprétation hâtives et sensationnalistes laissent penser cela, mais on voit clairement que ce n'est pas aussi simple.

En effet, force est de constater que la figure en I contient une information indécryptable qui dépend de quelque chose qui se passe dans le futur. Mais elle ne peut être décryptée qu'avec des informations «classiques» (sur cette chose) qui ne peuvent être connues, au plus tôt, que dans un délai qui annule le bénéfice de la rétroaction temporelle (par exemple, dans le cas de l'interrogation d'un physicien à 100 années-lumière, on ne connaîtrait la réponse à la question que - au mieux - 100 ans plus tard).

En réalité, ce résultat, quoique spectaculaire, n'est pas plus étonnant (ni moins) que les résultats déjà connus des expériences EPR. En effet, dans ces expériences, l'effondrement d'un côté du système provoque immédiatement l'effondrement de l'autre côté, aussi éloigné soit-il. Mais on ne peut s'en rendre compte qu'avec l'envoi d'une information classique (évitant de pouvoir communiquer à une vitesse supérieure à celle de la lumière).

Mais l'effet est plus frappant toujours que dans l'expérience EPR, et nous pose avec une force plus grande toujours la question : qu'est-ce que le temps ?

Enjeux et interprétations - complément

Considérons la situation où la "gomme quantique" est présente. La complémentarité des figures d'interférence obtenues par corrélation des points reçus sur l'écran I avec les signaux reçus en G et H est une donnée importante qui doit être interprétée. On nommera ces figures Fig (G) et Fig (H). On appellera de même Fig (0) la figure obtenue en absence d'interférences.

Si la figure d'interférence était semblable dans les deux cas (Fig (G) = Fig (H) ), l'impact d'un photon sur une frange sombre de cette figure pourrait donner une information de type probabiliste. Nous pourrions dire dans ce cas qu'il y a davantage de chance de détecter le photon en J ou K (cas où il n'y a pas interférence car on détecte quel chemin le photon a emprunté) qu'en G ou H (cas où il y a interférence car la détection en G ou H n'apporte pas d'information sur le chemin emprunté).

Mais ce n'est pas le cas : les figures d'interférence sont précisément complémentaires (Fig (G) +Fig (H) =Fig (0) ). Si le photon tombe sur une frange sombre de Fig (G) alors cela donne bien une information de type probabiliste : si le photon est détecté en G ou H alors le photon a davantage de chance d'être détecté en H (probabilité d'être détecté en H sachant qu'il est détecté en G ou en H). Mais cette information n'a aucun lien avec la connaissance du chemin emprunté par le photon.

Mathématiquement, la fonction d'onde juste après les convertisseurs bas s'écrit :

ψ la fonction d'onde d'un photon signal et φ celle d'un photon témoin. Juste avant l'impact sur l'écran I, on a :

| ψ_B > et | ψ_C > sont orthogonales donc :

Il n'y a pas d'interférence. L'observation d'un impact en un point x₀ diminué la fonction d'onde du photon signal à | φ_I (x₀) >. C'est une constante qu'on peut éliminer dans la suite. L'espace se réduit par conséquent à un espace à une seule particule :

Π / 2, on a finalement au niveau des détecteurs finaux :

Voir aussi

Expérience d'Aspect Gomme quantique David Deutsch Freeman Dyson

Hugh Everett John Wheeler Vitesse supraluminique Interféromètre de Mach-Zehnder Interprétation transactionnelle de la mécanique quantique

Notes

1. ↑ http ://fr. arxiv. org/abs/quant-ph/9903047
2. ↑ Stricto sensu, il est en fait abusif de parler de particule tant que celle-ci n'a pas été détectée, mais cette formulation, quoiqu'un peu incorrecte, sert à mieux visualiser les choses.

Liens externes

• Article sur l'expérience

L'expérience décrite dans cet article provient de l'article suivant :

• «A Delayed Choice Quantum Eraser» by Yoon-Ho Kim [1], R. Yu, S. P. Kulik, Y. H. Shih, and Marlon O. Scully Phys. Rev. Lett. 84 1-5 (2000) [1]
• Cette même expérience est décrite dans cette excellente présentation.

Voir aussi :

• (en) Détails
• (en) Expérience illustrée
• (en) Nouvelle expérience de «choix différé» allant dans le même sens, d'Alain Aspect.

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