Un protocole permettant de tester la nature quantique des grands objets – qui, en principe, pourrait fonctionner pour des objets de n'importe quelle masse – a été proposé par des chercheurs du Royaume-Uni et de l'Inde. Une caractéristique clé du protocole est qu’il évite la nécessité de créer un état quantique macroscopique pour tester si la mécanique quantique est valide ou non à grande échelle. Certains physiciens ne sont cependant pas convaincus que ces recherches constituent une avancée significative.

La mécanique quantique fait un travail fantastique en décrivant les atomes, les molécules et les particules subatomiques comme les électrons. Cependant, les objets plus gros ne présentent généralement pas de comportement quantique tel que l'intrication et la superposition. Cela peut s’expliquer en termes de décohérence quantique, qui se produit lorsque des états quantiques délicats interagissent avec des environnements bruyants. Cela amène les systèmes macroscopiques à se comporter selon la physique classique.

La façon dont la mécanique quantique se décompose à des échelles macroscopiques est non seulement fascinante sur le plan théorique, mais également cruciale pour tenter de développer une théorie réconciliant la mécanique quantique avec la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. Les physiciens souhaitent donc observer le comportement quantique d’objets de plus en plus grands.

Un défi redoutable

Créer des états quantiques macroscopiques et les conserver suffisamment longtemps pour observer leur comportement quantique constitue un formidable défi lorsqu’il s’agit d’objets bien plus gros que des atomes ou des molécules retenus dans un piège. En effet, l'intrication quantique de peaux de tambour macroscopiques vibrantes (chacune d'une taille de 10 microns) par deux groupes indépendants – l'un aux États-Unis et l'autre en Finlande – a été choisie comme Monde de la physique percée de l'année 2021 pour les prouesses expérimentales des équipes.

Le nouveau protocole s'inspire de l'inégalité de Leggett-Garg. Il s’agit d’une modification de l’inégalité de Bell, qui évalue si deux objets sont intriqués de manière quantique à partir de la corrélation entre les mesures de leurs états. Si l’inégalité de Bell était violée, les mesures seraient si bien corrélées que, si leurs états étaient indépendants, l’information aurait dû voyager plus vite que la lumière entre les objets. Parce que la communication supraluminique est considérée comme impossible, une violation est interprétée comme une preuve d’intrication quantique.

L'inégalité de Leggett-Garg applique le même principe aux mesures séquentielles du même objet. Une propriété de l’objet est d’abord mesurée de manière non invasive – s’il s’agit d’un objet classique (non quantique). Plus tard, une autre mesure est effectuée. Si l’objet est une entité classique, alors la première mesure ne modifie pas le résultat de la seconde mesure. Cependant, si l’objet est défini par une fonction d’onde quantique, l’acte même de mesure le perturbera. Ainsi, les corrélations entre mesures successives peuvent révéler si l’objet obéit à la mécanique classique ou quantique.

Nanocristal oscillant

En 2018, le physicien théoricien Sougato Bose à l'University College London et ses collègues ont proposé de réaliser un tel test sur un nanocristal refroidi qui oscille dans un piège harmonique optique. La position du nanocristal serait déterminée en focalisant un faisceau de lumière sur un côté d'un piège. Si la lumière traverse sans se diffuser, l’objet se trouve de l’autre côté du piège. En observant plus tard le même côté du piège, on peut calculer si l'inégalité de Leggett-Garg est violée ou non. Si tel était le cas, une première non-détection de l’objet aurait perturbé son état quantique, et donc le nanocristal présenterait un comportement quantique.

Le problème, explique Bose, est que la masse doit être mesurée deux fois du même côté du piège. Ceci n'est viable que pour les masses avec de courtes périodes d'oscillation car l'état quantique doit rester cohérent tout au long de la mesure. Cependant, de grandes masses d’intérêt auront des périodes trop longues pour que cela fonctionne. Bose et ses collègues proposent désormais que la deuxième mesure soit effectuée à un endroit que, si l'objet obéit à la mécanique classique, il est censé avoir atteint.

"Il est préférable d'aller à l'endroit où il irait en raison de son oscillation normale et de découvrir à quel point il diffère par rapport à cet endroit", explique Bose.

L'avantage de ce schéma est que, tant que l'objet reste dans un état cohérent, il devrait être possible de réaliser l'expérience pour des objets de n'importe quelle masse, car il est toujours possible de calculer la position attendue d'un oscillateur harmonique classique. Il devient effectivement plus difficile d'isoler des objets plus gros, mais Bose pense que ces états apparemment classiques seraient plus robustes au bruit que les états quantiques macroscopiques exotiques tels que les superpositions.

Evolution du système de suivi

Physicien quantique Vlatko Védral de l’Université d’Oxford convient que l’approche des chercheurs pourrait offrir des avantages par rapport aux expériences tentant d’utiliser des états quantiques macroscopiques spatialement séparés. Cependant, il dit que « ce qui devient important dans ces mesures n’est pas tant l’état initial mais la séquence de mesures que vous effectuez », et que suivre l’évolution du système après la première mesure pour que les corrélations soient révélées « n’est pas un problème trivial du tout ».

Il est également sceptique quant à la revendication d’une indépendance de masse. "Je ne sais pas dans la pratique à quel point cela est facile à réaliser", dit-il, "mais cela est simplement lié à la taille, car plus vous avez de sous-systèmes, plus vous aurez de fuites dans l'environnement."

Tony Leggett (qui a co-développé l'inégalité dans les années 1980 avec Anupam Garg) est un expert des fondements de la mécanique quantique qui a partagé le prix Nobel 2003 pour ses travaux sur la supraconductivité et les superfluides. Aujourd’hui professeur émérite à l’Université de l’Illinois, il voit un autre problème dans le travail de Bose et de ses collègues. « Il est très clair que ces chercheurs sont convaincus que la mécanique quantique va continuer à fonctionner – je n’en suis pas si confiant », dit-il.

Leggett note cependant que les preuves d'un effondrement de la mécanique quantique seraient interprétées par la plupart des physiciens comme le résultat d'une décohérence, qui pourrait être provoquée par une mesure invasive. Contrairement aux expériences sur des états connus – auxquelles il a participé – il affirme que Bose et ses collègues ne présentent pas de moyen de tester le degré d’invasion de leurs mesures, par exemple en utilisant le même protocole de mesure sur un ensemble d’états différent.

La recherche est décrite dans un article qui a été accepté pour publication dans Physical Review Letters. A la préimpression est disponible sur arXiv.

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• La source: https://physicsworld.com/a/protocol-could-make-it-easier-to-test-the-quantum-nature-of-large-objects/