Le chat quantique

Chat de Schrödinger ou problème de la mesure

L'observateur modifie ce qu'il observe !
Certains évènements ne se produisent que parce qu'ils sont observés, s'il n'y avait personne pour les voir ils n'existeraient pas. C'est le sens même de l'expérience dite du "chat de Schrödinger".
En 1935 le physicien Erwin Schrödinger a imaginé une expérience avec un chat du monde réel, enfermé dans une boite opaque et hermétique.
Dans cette boite un dispositif tue l'animal dès qu'il détecte la désintégration d'un atome d'un corps radioactif du monde quantique.
Dans le monde quantique un atome radioactif par exemple, un atome d'uranium peut exister dans deux états superposés: intact et désintégré. Cet état de superposition cesse immédiatement dès qu'il y a observation, on dit alors qu'il y a décohérence lorsqu'un système A et B devient un système A ou B.
Si les probabilités indiquent qu'une désintégration a une chance sur deux d'avoir eu lieu au bout d'une minute, la mécanique quantique indique que, tant que l'observation n'est pas faite, l'atome est simultanément dans deux états: intact et désintégré. Or le mécanisme diabolique, imaginé par Erwin Schrödinger, lie l'état du chat à l'état des particules radioactives, de sorte que le chat serait simultanément dans deux états (l'état mort et l'état vivant), jusqu'à l'ouverture de la boite.

Comme l'observation déclenche le choix entre les deux états, on ne peut absolument pas dire si le chat est mort ou non au bout d'une minute.
Notre cerveau n'est pas prêt à accepter ce genre de situation pour un objet macroscopique du monde réel alors que pour une particule, notre esprit accepte de concevoir la fonction d'onde (vecteur d'état) qu'y en résulte.
Historiquement, la fonction d'onde fut introduite par Louis de Broglie dans sa thèse en 1924.
Son nom s'explique par le fait qu'elle donne à toute particule, les propriétés d'interférence d'une onde, généralisant la dualité onde-particule introduite pour la lumière, par Max Planck.
Cette situation non réalisable est une pure expérience de pensée car on ne pourra jamais mesurer, que le chat est à la fois mort et vivant, le fait d'essayer de connaitre son état provoque nécessairement l'effondrement de la fonction d'onde, inséparable des deux états distincts. Ces états superposés sont concevables lorsque les systèmes sont définis par des fonctions d'onde. Mais en ce qui concerne le chat de Schrödinger, notre esprit refuse d'admettre que tant que la boite n'est pas ouverte, et que l'on n'a pas constaté l'état du chat, le chat n'est ni mort ni vivant. Le mystère de l'Univers est peut-être décrit au plus profond de l'atome.

Image : Illustration © Mylène Simoès, Art Director.
D'où vient le choix du chat pour cette expérience de pensée ? Peut-être est-ce une référence de la part de Schrödinger, au chat du Cheshire.

Le chat du Cheshire

Le chat du Cheshire est un personnage de fiction que l'on voit dans Alice au pays des merveilles de Lewis Carroll. Malin et philosophe, il échappe à l'ordre de décapitation de la Reine de cœur en rendant son corps transparent. Le chat apparait et disparait de façon sublime, suscitant l'amusement chez Alice.
Le chat met parfois la patte sur des questions philosophiques qui perturbent Alice.
À un moment de l'histoire, le chat disparait complètement jusqu'à ce qu'il ne reste de lui que son sourire. Ce conte est une délectation où l'absurdité obéit à une logique rigoureuse.
Les personnages sont inoubliables comme le Lapin blanc, le Lièvre de Mars, le Chapelier, la Reine de Cœur, mais surtout le Chat du Cheshire. Ce chat est un des rares personnages qu'Alice rencontre, qui semble raisonnable.

Pourtant, il se définit lui-même comme fou puisque contrairement au chien, il grogne quand il est content et remue la queue quand il est en colère. C'est d'ailleurs tout le paradoxe d'Alice au Pays des Merveilles, les fous avérés se pensent normaux et les rares qui soient sensés, se croient fous.

Image : Le chat du Cheshire et son étrange particularité, cliquer sur l'image du chat pour voir la vidéo sur facebook. The Cheshire Cat, in Alice au Pays des Merveilles (1865)

Onde ou particule

La théorie quantique décrit les objets du monde microscopique différemment que les objets macroscopiques, c'est-à-dire à notre échelle dans le monde classique.
Par exemple, dans le monde classique, la position et la vitesse d'une voiture, sont bien définies.
Dans le monde quantique, il est impossible de connaitre simultanément et précisément la position d'une particule et sa vitesse. Les spécialistes parlent des inégalités de Heisenberg énoncées en 1927 par le physicien allemand Karl Werner Heisenberg.
En mécanique quantique, il n'est pas possible de connaitre exactement la valeur d'un paramètre sans la mesurer. La théorie mathématique décrit un état, non pas par un couple vitesse et position précisément, mais par une fonction d'onde qui permet de calculer la probabilité de trouver la particule en un point. D'où le caractère probabiliste de la mécanique quantique qui prédit que les particules sont aussi des ondes et plus seulement des points matériels.
C'est pour cela qu'il est possible d'être à deux endroits à la fois. Imaginons que l'état d'une particule soit entièrement décrit par sa couleur, qui ne peut prendre que deux valeurs, rouge ou bleue. Dans notre monde, les deux couleurs, donc les deux états, sont parfaitement distinguables.

Dans l'univers quantique, des états qui soient à la fois rouges et bleus existent. Seule l'observation révèle la propriété rouge ou bleue du système. Sans elle, l'objet possède les deux propriétés. C'est pour cela qu'un système quantique doit être décrit globalement sans séparer un objet de l'autre, bien qu'ils puissent être spatialement séparés. On parle alors d'état intriqué. L'intrication (du latin intricare, embrouiller) signifie dans le langage usuel « enchevêtrement ».
L'intrication quantique désigne le fait que tout ensemble d'objets quantiques peut se mettre dans une superposition d'états. Chacun de ces états décrit plusieurs objets à la fois dont les propriétés sont liées. Si l'objet 1 est dans un certain état, cela détermine en partie l'état de l'objet 2.
Même s'ils sont séparés par de grandes distances spatiales, les deux systèmes ne sont pas indépendants et il faut considérer {S1+S2} comme un système unique. La mécanique quantique explique l'existence de la matière, c'est pour les scientifiques, la plus grande aventure intellectuelle du 20ème siècle.

Image : Des chercheurs ont réussi à intriquer les vibrations de deux paires d'ions. Cette étrange relation quantique qu'est l'intrication, est illustrée sur cette image. Les ions sont comme reliés entre eux par un ressort et chaque paire oscille (John Jost and Jason Amini).