Dirigés par Andreas Wallraff, professeur de physique du solide, les chercheurs ont effectué un test de Bell sans échappatoire pour réfuter le concept de "causalité locale" formulé par Albert Einstein en réponse à la mécanique quantique. En montrant que des objets de mécanique quantique éloignés peuvent être plus fortement corrélés les uns aux autres que ce qui est possible dans les systèmes conventionnels, les chercheurs ont fourni une confirmation supplémentaire pour la mécanique quantique. La particularité de cette expérience est que les chercheurs ont pu pour la première fois la réaliser à l'aide de circuits supraconducteurs, considérés comme des candidats prometteurs pour construire de puissants ordinateurs quantiques.

Un test de Bell est basé sur une configuration expérimentale qui a été initialement conçue comme une expérience de pensée par le physicien britannique John Bell dans les années 1960. Bell voulait trancher une question sur laquelle les grands de la physique s'étaient déjà disputés dans les années 1930 : les prédictions de la mécanique quantique, qui vont complètement à l'encontre de l'intuition quotidienne, sont-elles correctes, ou les concepts conventionnels de causalité s'appliquent-ils également dans le microcosme atomique, comme le croyait Albert Einstein ?

Pour répondre à cette question, Bell a proposé d'effectuer une mesure aléatoire sur deux particules intriquées en même temps et de la comparer à l'inégalité de Bell. Si le concept de causalité locale d'Einstein est vrai, ces expériences satisferont toujours l'inégalité de Bell. En revanche, la mécanique quantique prédit qu'ils la violeront.

Au début des années 1970, John Francis Clauser, qui a reçu le prix Nobel de physique l'an dernier, et Stuart Freedman ont effectué un premier test pratique de Bell. Dans leurs expériences, les deux chercheurs ont pu prouver que l'inégalité de Bell est bien violée. Mais ils ont dû faire certaines hypothèses dans leurs expériences pour pouvoir les mener en premier lieu. Donc, théoriquement, il se peut qu'Einstein ait eu raison d'être sceptique à l'égard de la mécanique quantique.

Au fil du temps, cependant, davantage de ces échappatoires pourraient être comblées. Enfin, en 2015, divers groupes ont réussi à mener les premiers tests Bell vraiment sans échappatoire, réglant ainsi définitivement l'ancien différend.

Le groupe de Wallraff dit qu'ils peuvent maintenant confirmer ces résultats avec une nouvelle expérience. Les travaux des chercheurs de l'ETH publiés dans la célèbre revue scientifique Nature montre que la recherche sur ce sujet n'est pas terminée, malgré la confirmation initiale il y a sept ans. Il y a plusieurs raisons à cela. D'une part, l'expérience des chercheurs de l'ETH confirme que les circuits supraconducteurs fonctionnent également selon les lois de la mécanique quantique, même s'ils sont beaucoup plus gros que les objets quantiques microscopiques tels que les photons ou les ions. Les circuits électroniques de plusieurs centaines de micromètres constitués de matériaux supraconducteurs et fonctionnant à des fréquences micro-​ondes sont appelés objets quantiques macroscopiques.

D'autre part, les tests de Bell ont aussi une signification pratique. "Les tests de Bell modifiés peuvent être utilisés en cryptographie, par exemple, pour démontrer que les informations sont effectivement transmises sous forme cryptée", explique Simon Storz, doctorant dans le groupe de Wallraff. «Avec notre approche, nous pouvons prouver beaucoup plus efficacement que ce qui est possible dans d'autres configurations expérimentales que l'inégalité de Bell est violée. Cela le rend particulièrement intéressant pour les applications pratiques.

Ainsi, lors de la mise en place de l'expérience, il est important de trouver un équilibre : plus la distance entre les deux circuits supraconducteurs est grande, plus le temps disponible pour la mesure est important et plus le montage expérimental devient complexe. En effet, toute l'expérience doit être menée dans un vide proche du zéro absolu.

Les chercheurs de l'ETH ont déterminé que la distance la plus courte sur laquelle effectuer un test Bell sans échappatoire réussi était d'environ 33 mètres, car il faut environ 110 nanosecondes à une particule lumineuse pour parcourir cette distance dans le vide. C'est quelques nanosecondes de plus qu'il n'en a fallu aux chercheurs pour réaliser l'expérience.

L'équipe de Wallraff a construit une installation impressionnante dans les passages souterrains du campus de l'ETH. A chacune de ses deux extrémités se trouve un cryostat contenant un circuit supraconducteur. Ces deux appareils de refroidissement sont reliés par un tube de 30 mètres de long dont l'intérieur est refroidi à une température juste au-dessus du zéro absolu (–273.15°C).

Avant le début de chaque mesure, un photon micro-onde est transmis de l'un des deux circuits supraconducteurs à l'autre de sorte que les deux circuits s'enchevêtrent. Des générateurs de nombres aléatoires décident ensuite quelles mesures sont effectuées sur les deux circuits dans le cadre du test de Bell. Ensuite, les résultats de mesure des deux côtés sont comparés.

Après avoir évalué plus d'un million de mesures, les chercheurs ont montré avec une très grande certitude statistique que l'inégalité de Bell est violée dans cette configuration expérimentale. En d'autres termes, ils ont confirmé que la mécanique quantique permet également des corrélations non locales dans les circuits électriques macroscopiques et par conséquent que les circuits supraconducteurs peuvent être intriqués sur une grande distance. Cela ouvre des possibilités d'applications intéressantes dans le domaine de l'informatique quantique distribuée et de la cryptographie quantique.

La construction de l'installation et la réalisation du test ont été un défi, explique Wallraff. « Nous avons pu financer le projet sur une durée de six ans grâce à un financement ERC Advanced Grant. Le simple fait de refroidir l'ensemble du montage expérimental à une température proche du zéro absolu demande des efforts considérables. « Il y a 1.3 tonne de cuivre et 14,000 XNUMX vis dans notre machine, ainsi qu'une grande quantité de connaissances en physique et de savoir-​faire en ingénierie », déclare Wallraff. Il pense qu'il serait en principe possible de construire des installations qui surmontent des distances encore plus grandes de la même manière. Cette technologie pourrait, par exemple, être utilisée pour connecter des ordinateurs quantiques supraconducteurs sur de grandes distances.