Au cours des premières décennies du XXe siècle, les physiciens ont dévoilé une grande partie de la nature atomique et subatomique de la matière. Mais cela a forcé une révision drastique des concepts jusqu’alors en vigueur, défiant le bon sens. Lorsque nous étudions la nature, nous cherchons à mettre en évidence des propriétés individuelles des systèmes étudiés qui sont indépendantes de nos observations (« réalisme »). Nous considérons également que ces propriétés sont déterminées localement : elles ne peuvent pas être modifiées instantanément à distance (« localité »). Car la physique quantique semblait défier ces notions, lorsqu’elles étaient combinées, ce qui a conduit Albert Einstein, ainsi que ses collègues Boris Podolsky et Nathan Rosen, à se demander si la nouvelle théorie était incomplète, s’il y avait encore des variables inconnues (cachées) dont nous avions encore besoin. découvrir. Une violation possible du principe de réalité a amené Einstein à se demander : « la lune est-elle là quand on ne la regarde pas » ? Si le principe de localité était violé, ce serait pour Einstein une « action fantomatique à distance ».
Entre 1935 et 1966, ces questions étaient considérées comme métaphysiques. L’Américain David Bohm, qui a passé un temps à l’USP, a cherché à formuler des théories des variables cachées, mais qui ont été accueillies avec scepticisme. Robert Oppenheimer a même dit : « si nous ne pouvons pas prouver que Bohm a tort, nous devons accepter de l’ignorer ». En 1966, l’Irlandais John Bell, qui a travaillé avec la physique des particules élémentaires au CERN, a publié un théorème, formulé pendant son temps libre, qui permet de tester expérimentalement les prédictions de la physique quantique par rapport aux hypothèses combinées de réalisme et de localité. Les systèmes physiques qui interagissent peuvent devenir corrélés, ce qui signifie que les mesures sur l’un des systèmes fournissent des informations sur l’autre. En imposant les conditions de réalisme et de localité, Bell déduit des inégalités qu’il faut satisfaire. Avec beaucoup d’humour, en 1980, pour décrire son travail, il évoque la curieuse manie de son ami et collègue, Reinhold Bertlmann, qui portait toujours des chaussettes de couleurs différentes. Si une chaussette était rose, par exemple, quelle que soit la distance, vous pourriez dire instantanément que l’autre chaussette était d’une couleur différente. De telles corrélations sont présentes dans notre quotidien et s’expliquent facilement : ce n’est pas l’observation de la couleur d’une chaussette qui détermine la couleur de l’autre, elle était déjà prédéterminée. Bell a utilisé ce raisonnement pour dériver ses inégalités. Cependant, les corrélations entre particules quantiques peuvent violer ces inégalités, révélant une incompatibilité avec les notions combinées de réalisme et de localité.
Les travaux de Bell attirent l’attention de John Clauser qui, à grands frais, réussit à convaincre ses collègues de mettre à sa disposition du matériel pour réaliser une expérience. Avec Stuart Freedman, Clauser a étudié une désintégration atomique qui émettait des paires de photons avec des polarisations corrélées. Les photons ont été détectés à des positions éloignées, avec des analyseurs de polarisation. Pour certaines orientations d’analyseurs syntaxiques, ils ont pu mettre en évidence des violations des inégalités de Bell. Cependant, dans son expérience, les analyseurs étaient fixes, ce qui n’excluait pas la possibilité qu’un signal soit envoyé d’un côté à l’autre, ce qui pourrait « communiquer » l’orientation et, avec cela, changer la mesure de l’autre photon.
À la fin des années 1970, Alain Aspect cherche un sujet pour sa thèse de doctorat et s’intéresse aux travaux de Bell. En discutant avec le physicien irlandais, il lui demande s’il a un travail : il serait trop risqué pour sa carrière scientifique de travailler sur un sujet aussi ésotérique… Aspect persiste et, au début des années 1980, avec l’aide de Philippe Grangier , Gérard Roger et Jean Dalibard, ont réalisé des expériences similaires à celles de Freedman et Clauser, mais en faisant varier l’orientation des analyseurs pendant le temps de vol des photons. Là encore, ils ont observé des violations des inégalités, bien au-dessus des incertitudes expérimentales.
Dans les années 1990, de nouvelles sources lumineuses à partir de cristaux non linéaires ont permis d’améliorer la génération de paires de photons intriqués quantiques. Le groupe d’Anton Zeilinger a été l’un des principaux centres de développement de ces sources, ce qui a permis la violation des inégalités de Bell dans des conditions strictes de non-localité, en plus des violations des généralisations dues à Leggett, qui démontrent que les corrélations de la physique quantique sont plus fortes que même certaines corrélations non locales réalistes. Zeilinger est également devenu l’un des pionniers dans l’utilisation de ces corrélations pour des applications en sciences de l’information, telles que la démonstration de la téléportation quantique et la distribution quantique des clés cryptographiques. Actuellement, l’intrication quantique est à la base du développement de nouvelles technologies pour la détection, les communications et le traitement de l’information.
Deux des lauréats ont une histoire d’interaction avec le Brésil et avec des scientifiques brésiliens. Zeilinger a déjà reçu plusieurs de nos chercheurs pour des stages dans son laboratoire, en mettant l’accent sur le travail postdoctoral du prof. Gabriela Barreto Lemos, de l’UFRJ. Alain Aspect entretient un lien particulier avec le Brésil depuis les années 1980. Parmi les sujets étudiés par son groupe figurent les atomes froids et les effets quantiques qui leur sont liés. Il collabore depuis 1988 avec des groupes de recherche de l’USP, en particulier à l’IFSC – Instituto de Física de São Carlos, où des travaux liés aux caractéristiques des forces de rayonnement et à leurs applications ont été étudiés. Des expériences avec des atomes froids, menées alors qu’Aspect était chercheur à l’École Normale Supérieure de Paris, ont eu la participation de plusieurs chercheurs de l’USP, ce qui a grandement contribué à l’avancement des laboratoires de notre Université. Il a visité l’USP plus de dix fois, ce qui a donné lieu à des articles scientifiques co-écrits avec nos chercheurs. Une collection fantastique de conférences qu’il a données à l’IFSC peut être trouvée sur YouTube :
Ses conférences et ses relations ont contribué de manière significative à la formation de nos étudiants, ainsi qu’à l’établissement de solides ponts de connexion pour ce sujet de recherche fascinant. De nouvelles visites à l’USP, pour les années 2023 et 2024, sont déjà prévues. C’est un grand plaisir de voir la juste reconnaissance du travail de Clauser, Zeilinger et de notre ami Alain Aspect, lauréats du prix Nobel de physique 2022.
