Intrication Quantique : Quand deux particules ne font plus qu’une !

L'Intrication Quantique en Lumière

L'Intrication Quantique est un phénomène où deux particules deviennent liées de telle sorte que les propriétés quantiques de l'une dépendent immédiatement des propriétés de l'autre, indépendamment de la distance qui les sépare.

Ce phénomène soulève une question par rapport aux principes classiques de la relativité restreinte d'Einstein, qui stipule que rien ne peut se déplacer plus vite que la lumière dans le vide, et donc, qu'il n'est pas possible d'envoyer de l'information instantanément sur de grandes distances.

Alors, comment expliquer que deux particules puissent être dans une superposition d’états intriqués concernant différentes propriétés physiques (énergie, quantité de mouvement, polarisation, spin, ...), et que la mesure de l’une définisse instantanément l’état de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare ?

Concernant l'énergie de deux photons intriqués, lorsqu’un photon unique de haute énergie \( E_0 \) est converti en deux photons de plus basse énergie \( E_1 \), \( E_2 \), la conservation de l’énergie impose que : \( E_0 \)=\( E_1 \)+\( E_2 \) ainsi, toute mesure de l’énergie de l’un des photons affecte immédiatement l’autre photon.

Exemple concernant la Polarisation d'une Paire de Photons Intriqués

Avec un cristal spécial, on peut créer deux photons intriqués.

Un seul photon (ω_p) entre dans le cristal et se divise en deux nouveaux photons intriqués (ω_s et ω_c). Ces deux photons intriqués partagent une propriété quantique commune : la polarisation. Autrement dit, ils conservent une relation de corrélation quantique, et la somme de leurs fréquences respectives correspond à la fréquence du photon initial (ω_p = ω_s + ω_c).

Le système peut être décrit dans un des états possibles de superposition quantique : \( |HH\rangle \) + \( |HV\rangle \) + \( |VH\rangle \) + \( |VV\rangle \)

Si l'on superpose uniquement les deux état : \( |HV\rangle \) + \( |VH\rangle \) alors les deux particules sont dans un état intriqué.

\[ |\psi\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} \left( |H\rangle_A |V\rangle_B + |V\rangle_A |H\rangle_B \right) \]

• A et B désignent les deux photons séparés.
• \( |H\rangle \) représente un photon polarisé horizontalement.
• \( |V\rangle \) représente un photon polarisé verticalement.
• \( |\psi\rangle \) désigne l'état quantique du système (notation de Dirac).
• \( |H\rangle_A |V\rangle_B \) représente les états polarisés.

Que signifie cette formule ?

Cela signifie que l'état global du système ne peut pas être décrit simplement par l'état de chaque particule individuellement mais par une seule fonction d'onde qui inclut les deux particules simultanément.

Dans notre exemple, les photons n’ont pas de polarisation définie avant la mesure, mais leur polarisation est corrélée : si on mesure un photon et qu'il est polarisé horizontalement (𝐻), alors l'autre sera polarisé verticalement (𝑉), et vice-versa.

L'interaction entre deux particules intriquées dans le cadre de l'intrication quantique ne peut pas être vue comme une "communication classique" au sens où nous l'entendons, c'est-à-dire un signal ou une information qui traverse l'espace à une certaine vitesse.

Les propriétés de chaque particule ne sont pas définies avant la mesure ; elles ne deviennent "réelles" qu'au moment de la mesure. Le fait que les résultats des mesures soient corrélés instantanément, même à distance, ne viole pas la relativité car aucune information n'est effectivement envoyée. Il s'agit simplement d'un phénomène de corrélation entre les états des deux particules, qui sont interdépendants par leur état commun d'intrication.

N. B. : La fonction d’onde ne représente pas une réalité physique objective, mais seulement notre connaissance du système. L’état quantique n’a pas de propriétés définies avant la mesure.

Effondrement de la fonction d’onde

Lorsqu’un observateur mesure la particule A, la fonction d’onde s’effondre instantanément, et la particule B prend un état corrélé, quelle que soit la distance entre elles. Cette corrélation est instantanée, mais ne signifie pas qu’il y a un transfert d’information, car le résultat reste aléatoire.

Imaginons deux observateurs, Alice et Bob, partageant une paire de particules intriquées. Alice mesure sa particule et obtient un résultat (+1 ou -1 par exemple). Bob, en mesurant la sienne, obtiendra toujours un résultat corrélé à celui d’Alice. Mais Alice ne peut pas choisir son résultat. Elle ne peut donc pas encoder un message en manipulant l’état de sa particule. Les résultats des mesures sont fondamentalement aléatoires, empêchant tout contrôle.

N. B. : L'effondrement de la fonction d'onde est instantané, mais il ne représente pas une action physique réelle, seulement une mise à jour de l’information de l'observateur.

La corrélation non locale

L'intrication quantique repose sur un phénomène fondamental de la mécanique quantique, la corrélation non locale.

La corrélation non locale est un phénomène expérimentalement prouvé, elle ne permet pas de transmission d’information exploitable plus rapide que la lumière. Elle montre simplement que la mécanique quantique viole les intuitions classiques sur la localité et le réalisme.

La variable locale : la causalité et les limites de vitesse

Une variable locale est une propriété interne d’un système qui n’est influencée que par des interactions locales, c'est-à-dire par des causes situées dans son voisinage immédiat et respectant la causalité relativiste.

• Dépend uniquement d’interactions dans sa région immédiate.
• N'est influencée que par des signaux qui respectent la limite de la vitesse de la lumière (c).
• Respecte la causalité relativiste : aucune influence ne peut se propager instantanément.

La variable non locale : au-delà de la vitesse de la lumière

Une variable non locale est une propriété d'un système qui peut être instantanément affectée par un événement se produisant ailleurs, indépendamment de la distance.

• Peut être influencée instantanément par un événement distant.
• Semble violer la limite imposée par la vitesse de la lumière.
• Implique que l’état d’une particule peut changer immédiatement en fonction d’une mesure faite sur une autre, même si elles sont séparées par des années-lumière.

N. B. : La vitesse de la lumière joue un rôle fondamental dans la distinction entre variable locale et variable non locale, car elle impose une limite à la propagation des influences physiques.