Une aura de mystère glamour s’attache au concept d’intrication quantique, et aussi à l’affirmation (en quelque sorte) connexe selon laquelle la théorie quantique nécessite « de nombreux mondes. »Pourtant, en fin de compte, ce sont, ou devraient être, des idées scientifiques, avec des significations terre-à-terre et des implications concrètes. Ici, je voudrais expliquer les concepts d’intrication et de nombreux mondes aussi simplement et clairement que je sais comment.

I.

L’enchevêtrement est souvent considéré comme un phénomène de mécanique quantique unique, mais ce n’est pas le cas., En fait, il est éclairant, bien que quelque peu non conventionnel, d’envisager d’abord une version simple non quantique (ou « classique”) de l’intrication. Cela nous permet de soulever la subtilité de l’intrication elle-même en dehors de la bizarrerie générale de la théorie quantique.

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l’Enchevêtrement se pose dans des situations où nous avons une connaissance partielle de l’état des deux systèmes. Par exemple, nos systèmes peuvent être deux objets que nous appellerons c-ons., Le  » c « est censé suggérer” classique », mais si vous préférez avoir quelque chose de spécifique et agréable à l’esprit, vous pouvez penser à nos c-ons comme des gâteaux.

nos c-ons se présentent sous deux formes, carrées ou circulaires, que nous identifions comme leurs états possibles. Puis les quatre communes membres, pour les deux c-ons, sont (carré, carré), (carré, cercle), (cercle, carré), (cercle, cercle). Les tableaux suivants montrent deux exemples de ce que les probabilités pourraient être pour trouver le système dans chacun de ces quatre États.,

Nous dire que le c-ons sont « indépendants” si la connaissance de l’état de l’un d’eux ne donne pas des informations utiles sur l’état de l’autre. Notre première table a cette propriété. Si le premier c-on (ou gâteau) est carré, nous sommes toujours dans le noir sur la forme du second. De même, la forme du second ne révèle rien d’utile sur la forme du premier.

d’autre part, nous disons que nos deux c-ons sont enchevêtrés lorsque les informations sur l’un améliorent notre connaissance de l’autre. Notre deuxième tableau montre une intrication extrême., Dans ce cas, chaque fois que le premier c est circulaire, nous savons que la deuxième circulaire est trop. Et quand le premier c-on est carré, le second l’est aussi. Connaissant la forme de l’un, on peut en déduire la forme de l’autre avec certitude.

La version quantique de l’enchevêtrement est essentiellement le même phénomène—qui est, le manque d’indépendance. En théorie quantique, les États sont décrits par des objets mathématiques appelés fonctions d’onde., Les règles reliant les fonctions d’onde aux probabilités physiques introduisent des complications très intéressantes, comme nous le discuterons, mais le concept central de la connaissance enchevêtrée, que nous avons déjà vu pour les probabilités classiques, continue.

Les gâteaux ne comptent pas comme des systèmes quantiques, bien sûr, mais l’enchevêtrement entre les systèmes quantiques se produit naturellement—par exemple, à la suite de collisions de particules. En pratique, les états non enchevêtrés (indépendants) sont de rares exceptions, car chaque fois que les systèmes interagissent, l’interaction crée des corrélations entre eux.,

prenons, par exemple, des molécules. Ce sont des composites de sous-systèmes, à savoir des électrons et des noyaux. L’état d’énergie la plus basse d’une molécule, dans lequel elle se trouve le plus généralement, est un État fortement enchevêtré de ses électrons et de ses noyaux, car les positions de ces particules constitutives ne sont en aucun cas indépendantes. Comme les noyaux se déplacer, les électrons se déplacent avec eux.,

retour à notre exemple: si nous écrivons Φ■, Φ● pour les fonctions d’onde décrivant le système 1 dans ses États carrés ou circulaires, et ψ■, ψ● pour les fonctions d’onde décrivant le système 2 dans ses États carrés ou circulaires, alors dans notre exemple● + φ● ψ■ + φ● ψ●

intriqué: φ■ ψ■ + φ● ψ●

nous pouvons également écrire la version indépendante comme

(φ■ + φ●)(ψ■ + ψ●)

notez comment dans cette formulation les parenthèses séparent clairement les systèmes 1 et 2 en unités indépendantes.,

Il existe de nombreuses façons de créer des états intriqués. Une façon est de faire une mesure de votre système (composite) qui vous donne des informations partielles. Nous pouvons apprendre, par exemple, que les deux systèmes ont conspiré pour avoir la même forme, sans apprendre exactement quelle forme ils ont. Ce concept deviendra important plus tard.

les conséquences les plus distinctives de l’intrication quantique, telles que les effets Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) et Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ), découlent de son interaction avec un autre aspect de la théorie quantique appelé « complémentarité., »Pour ouvrir la voie à la discussion sur les EPR et les GHZ, permettez-moi maintenant d’introduire la complémentarité.

auparavant, nous imaginions que nos c-ons pouvaient présenter deux formes (carré et cercle). Maintenant, nous imaginons qu’il peut également présenter deux couleurs—rouge et bleu. Si nous parlions de systèmes classiques, comme les gâteaux, cette propriété ajoutée impliquerait que nos c-ons pourraient être dans l’un des quatre états possibles: un carré rouge, un cercle rouge, un carré bleu ou un cercle bleu.,

pourtant, pour un gâteau quantique—un séisme, peut-être, ou (avec plus de dignité) un q—on-la situation est profondément différente. Le fait qu’un q-on puisse présenter, dans différentes situations, différentes formes ou différentes couleurs ne signifie pas nécessairement qu’il possède à la fois une forme et une couleur simultanément. En fait, cette inférence de « bon sens”, dont Einstein a insisté pour qu’elle fasse partie de toute notion acceptable de réalité physique, est incompatible avec les faits expérimentaux, comme nous le verrons bientôt.,

Nous pouvons mesurer la forme de notre q-on, mais ce faisant, nous perdons toutes les informations sur sa couleur. Ou nous pouvons mesurer la couleur de notre q-on, mais ce faisant, nous perdons toutes les informations sur sa forme. Ce que nous ne pouvons pas faire, selon la théorie quantique, c’est mesurer à la fois sa forme et sa couleur simultanément. Aucune vision de la réalité physique ne saisit tous ses aspects; il faut prendre en compte de nombreuses vues différentes et mutuellement exclusives, chacune offrant une perspicacité VALIDE mais partielle. C’est le cœur de la complémentarité, comme L’a formulé Niels Bohr.,

en conséquence, la théorie quantique nous oblige à être circonspects dans l’attribution de la réalité physique à des propriétés individuelles. Pour éviter les contradictions, il faut admettre que:

1. une propriété qui n’est pas mesurée n’a pas besoin d’exister.
2. La mesure est un processus actif qui modifie le système mesuré.

II.

Maintenant, je vais vous décrire deux classique, mais du classique!,- illustrations de l’étrangeté de la théorie quantique. Les deux ont été vérifiés dans des expériences rigoureuses. (Dans les expériences réelles, les gens mesurent des propriétés comme le moment angulaire des électrons plutôt que des formes ou des couleurs de gâteaux.)

Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen (EPR) ont décrit un effet surprenant qui peut survenir lorsque deux systèmes quantiques sont enchevêtrés. L’effet EPR Marie une forme spécifique et réalisable expérimentalement de l’enchevêtrement quantique avec la complémentarité.,

Une paire EPR se compose de deux q-ons, chacun pouvant être mesuré soit pour sa forme, soit pour sa couleur (mais pas pour les deux). Nous supposons que nous avons accès à beaucoup de ces paires, tous identiques, et que nous pouvons choisir les mesures à faire de leurs composants. Si nous mesurons la forme d’un membre d’une paire EPR, nous constatons qu’il est également susceptible d’être carré ou circulaire. Si nous mesurons la couleur, nous constatons qu’elle est également susceptible d’être rouge ou bleue.,

effets intéressants, qui EPR considéré comme paradoxal, surviennent lorsque nous prenons les mesures des deux membres de la paire. Lorsque nous mesurons les deux membres pour la couleur, ou les deux membres pour la forme, nous constatons que les résultats sont toujours d’accord. Ainsi, si nous trouvons que l’un est Rouge, et mesurons plus tard la couleur de l’autre, nous découvrirons qu’il est aussi rouge, et ainsi de suite. D’autre part, si l’on mesure la forme de l’un, puis la couleur de l’autre, il n’y a pas de corrélation., Ainsi, si le premier est carré, le second est également susceptible d’être rouge ou bleu.

nous obtiendrons, selon la théorie quantique, ces résultats même si de grandes distances séparent les deux systèmes, et que les mesures sont effectuées presque simultanément. Le choix de la mesure à un endroit semble affecter l’état du système à l’autre endroit. Cette” action fantasmagorique à distance », comme L’appelait Einstein, peut sembler nécessiter la transmission d’informations — dans ce cas, des informations sur les mesures effectuées — à un rythme plus rapide que la vitesse de la lumière.,

Mais est-il? Tant que je ne connais pas le résultat que vous avez obtenu, Je ne sais pas à quoi m’attendre. J’obtiens des informations utiles lorsque j’apprends le résultat que vous avez mesuré, pas au moment où vous le mesurez. Et tout message révélant le résultat que vous avez mesuré doit être transmis d’une manière physique concrète, plus lente (probablement) que la vitesse de la lumière.

Après une réflexion plus approfondie, le paradoxe se dissout davantage. En effet, considérons à nouveau l’état du second système, étant donné que le premier a été mesuré comme étant rouge., Si nous choisissons de mesurer la couleur du deuxième q-on, nous obtiendrons sûrement du rouge. Mais comme nous l’avons discuté plus tôt, lors de l’introduction de la complémentarité, si nous choisissons de mesurer la forme d’un q-on, quand il est à l’état « rouge”, nous aurons la même probabilité de trouver un carré ou un cercle. Ainsi, loin d’introduire un paradoxe, le résultat de L’EPR est logiquement forcé. Il s’agit, par essence, simplement d’un reconditionnement de complémentarité.

Il n’est pas non plus paradoxal de constater que des événements distants sont corrélés., Après tout, si je mets chaque membre d’une paire de gants dans des boîtes et que je les envoie aux côtés opposés de la terre, Je ne devrais pas être surpris qu’en regardant à l’intérieur d’une boîte, je puisse déterminer la tenue du gant dans l’autre. De même, dans tous les cas connus, les corrélations entre une paire EPR doivent être imprimées lorsque ses membres sont proches les uns des autres, bien qu’ils puissent bien sûr survivre à une séparation ultérieure, comme s’ils avaient des souvenirs. Encore une fois, la particularité de L’EPR n’est pas la corrélation en tant que telle, mais son incarnation possible sous des formes complémentaires.,

III.

Daniel Greenberger, Michael Horne et Anton Zeilinger ont découvert un autre exemple brillamment éclairant de l’intrication quantique. Il s’agit de trois de nos q-ons, préparés dans un état spécial et enchevêtré (L’état GHZ). Nous distribuons les trois q-ons à trois expérimentateurs distants. Chaque expérimentateur choisit, indépendamment et au hasard, de mesurer la forme ou la couleur, et enregistre le résultat. L’expérience est répétée plusieurs fois, toujours avec les trois q-ons commençant dans L’état GHZ.,

chaque expérimentateur, séparément, trouve des résultats au maximum aléatoires. Quand elle mesure la forme d’un q-on, elle est tout aussi susceptible de trouver un carré ou un cercle; quand elle mesure sa couleur, le rouge ou le bleu sont tout aussi probables. Jusqu’à présent, si banal.

Mais plus tard, lorsque les expérimentateurs se réunissent et comparent leurs mesures, un peu d’analyse révèle un résultat étonnant. Appelons les formes carrées et les couleurs rouges « bonnes », et les formes circulaires et les couleurs bleues « mauvaises »., »Les expérimentateurs découvrent que chaque fois que deux d’entre eux ont choisi de mesurer la forme mais que le troisième a mesuré la couleur, ils ont constaté qu’exactement 0 ou 2 résultats étaient « mauvais” (c’est-à-dire circulaire ou bleu). Mais quand tous les trois ont choisi de mesurer la couleur, ils ont constaté qu’exactement 1 ou 3 mesures étaient mauvaises. C’est ce que prédit la mécanique quantique, et c’est ce qui est observé.

Donc: Est la quantité de mal pair ou impair? Les deux possibilités sont réalisées, avec certitude, dans différentes sortes de mesures. Nous sommes obligés de rejeter la question., Cela n’a aucun sens de parler de la quantité de mal dans notre système, indépendamment de la façon dont il est mesuré. En effet, cela conduit à des contradictions.

L’effet GHZ est, selon les mots du physicien Sidney Coleman, « la mécanique quantique dans votre visage. »Il démolit un préjugé profondément ancré, enraciné dans l’expérience quotidienne, selon lequel les systèmes physiques ont des propriétés définies, indépendamment du fait que ces propriétés soient mesurées ou non. Car s’ils le faisaient, alors l’équilibre entre le bien et le mal ne serait pas affecté par les choix de mesure. Une fois intériorisé, le message de L’effet GHZ est inoubliable et hallucinant.,

IV.

jusqu’à présent, nous avons examiné comment l’enchevêtrement peut rendre impossible d’assigner unique, états indépendants à plusieurs q-ons. Des considérations similaires s’appliquent à l’évolution d’un seul q-dans le temps.

nous disons que nous avons des « histoires enchevêtrées” lorsqu’il est impossible d’attribuer un état défini à notre système à chaque instant. De la même manière que nous avons obtenu l’enchevêtrement conventionnel en éliminant certaines possibilités, nous pouvons créer des historiques enchevêtrés en effectuant des mesures qui recueillent des informations partielles sur ce qui s’est passé., Dans les histoires enchevêtrées les plus simples, nous n’avons qu’un seul q-on, que nous surveillons à deux moments différents. Nous pouvons imaginer des situations où nous déterminons que la forme de notre q-on était soit carrée aux deux moments, soit circulaire aux deux moments, mais que nos observations laissent les deux alternatives en jeu. Il s’agit d’un analogue temporel quantique des situations d’enchevêtrement les plus simples illustrées ci-dessus.,

En utilisant un protocole un peu plus élaboré, nous pouvons ajouter rides de complémentarité à ce système, et définir des situations qui font ressortir l’aspect « plusieurs mondes” de la théorie quantique. Ainsi, notre q-on pourrait être préparé à l’état rouge à un moment antérieur, et mesuré pour être à l’état bleu à un moment ultérieur., Comme dans les exemples simples ci-dessus, nous ne pouvons pas attribuer systématiquement notre q-on à la propriété de la couleur à des moments intermédiaires; il n’a pas non plus de forme déterminée. Les histoires de ce genre réalisent, de manière limitée mais contrôlée et précise, l’intuition qui sous-tend l’image de nombreux mondes de la mécanique quantique. Un état défini peut se ramifier dans des trajectoires historiques mutuellement contradictoires qui se rejoignent plus tard.,

Erwin Schrödinger, un fondateur de la théorie quantique qui était profondément sceptique quant à son exactitude, a souligné que l’évolution des systèmes quantiques conduit naturellement à des États qui pourraient être mesurés pour avoir des propriétés très différentes. Son « chat Schrödinger » déclare, célèbre, augmenter l’incertitude quantique en questions sur la mortalité féline. Avant la mesure, comme nous l’avons vu dans nos exemples, on ne peut pas attribuer la propriété de la vie (ou de la mort) au chat. Les deux—ou aucun-coexistent dans un monde de possibilités.,

le langage courant est mal adapté pour décrire la complémentarité quantique, en partie parce que l’expérience quotidienne ne la rencontre pas. Les chats pratiques interagissent avec les molécules d’air environnantes, entre autres, de manière très différente selon qu’ils sont vivants ou morts, donc en pratique la mesure est faite automatiquement, et le chat continue sa vie (ou sa mort). Mais les histoires enchevêtrées décrivent des q-ons qui sont, dans un sens réel, des chatons Schrödinger., Leur description complète nécessite, à des moments intermédiaires, que nous prenions en compte deux trajectoires de propriété contradictoires.

la réalisation expérimentale contrôlée d’histoires enchevêtrées est délicate car elle nécessite de recueillir des informations partielles sur notre q-on. Les mesures quantiques conventionnelles recueillent généralement des informations complètes en même temps—par exemple, elles déterminent une forme définie ou une couleur définie-plutôt que des informations partielles couvrant plusieurs fois. Mais cela peut être fait—en effet, sans grande difficulté technique., De cette façon, nous pouvons donner un sens mathématique et expérimental précis à la prolifération de « nombreux mondes” dans la théorie quantique, et démontrer sa substantialité.

histoire originale réimprimée avec la permission de Quanta Magazine, une publication éditorialement indépendante de la Fondation Simons dont la mission est d’améliorer la compréhension du public de la science en couvrant les développements et les tendances de la recherche en mathématiques et en sciences physiques et de la vie.