Le paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen observé pour la première fois dans un système à particules multiples

Einstein-Podolsky-Rosen

Des physiciens de l’Université de Bâle ont observé pour la première fois le paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen dans un système de plusieurs centaines d’atomes en interaction.

Le phénomène remonte à une célèbre expérience de pensée de 1935. Il permet de prédire avec précision les résultats des mesures et pourrait être utilisé dans de nouveaux types de capteurs et de nouvelles méthodes d’imagerie pour les champs électromagnétiques. Les résultats ont été publiés récemment dans la revue Science.

Comment peut-on prédire avec précision les résultats des mesures sur un système physique ? Dans le monde des particules minuscules, qui est régi par les lois de la physique quantique, il y a une limite fondamentale à la précision de telles prédictions. Cette limite est exprimée par la relation d’incertitude de Heisenberg, qui indique qu’il est impossible de prédire simultanément, par exemple, les mesures de la position et de l’élan d’une particule, ou de deux composantes d’une rotation, avec une précision arbitraire.

Une diminution paradoxale de l’incertitude

En 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen ont publié un article célèbre dans lequel ils ont montré que des prédictions précises sont théoriquement possibles dans certaines circonstances. Pour ce faire, ils ont considéré deux systèmes, A et B, dans ce qu’on appelle un état “enchevêtré”, dans lequel leurs propriétés sont fortement corrélées.

Dans ce cas, les résultats des mesures sur le système A peuvent être utilisés pour prédire les résultats des mesures correspondantes sur le système B avec, en principe, une précision arbitraire. Ceci est possible même si les systèmes A et B sont séparés dans l’espace. Le paradoxe est qu’un observateur peut utiliser des mesures sur le système A pour faire des déclarations plus précises sur le système B qu’un observateur qui a un accès direct au système B (mais pas à A).

Première observation dans un système à particules multiples

Dans le passé, les expériences ont utilisé la lumière ou des atomes individuels pour étudier le paradoxe de l’EPR, qui tire ses initiales des scientifiques qui l’ont découvert. Aujourd’hui, une équipe de physiciens dirigée par le professeur Philipp Treutlein du Département de physique de l’Université de Bâle et de l’Institut suisse de nanoscience (SNI) a observé avec succès le paradoxe de l’EPR en utilisant pour la première fois un système de plusieurs particules de plusieurs centaines d’atomes en interaction.

L’expérience a utilisé des lasers pour refroidir les atomes jusqu’à quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu. À ces températures, les atomes se comportent entièrement selon les lois de la mécanique quantique et forment ce qu’on appelle un condensat Bose-Einstein ; un état de la matière qu’Einstein a prédit dans un autre article pionnier en 1925. Dans ce nuage ultra-froid, les atomes entrent constamment en collision les uns avec les autres, ce qui provoque l’enchevêtrement de leurs spins.

Les chercheurs ont ensuite pris des mesures de la rotation dans des régions spatialement séparées du condensat. Grâce à l’imagerie à haute résolution, ils ont pu mesurer directement les corrélations de spin entre les différentes régions et, en même temps, localiser les atomes dans des positions définies avec précision. Grâce à leur expérience, les chercheurs ont réussi à utiliser des mesures dans une région donnée pour prédire les résultats pour une autre région.

“Les résultats des mesures dans les deux régions étaient si fortement corrélés qu’ils nous ont permis de démontrer le paradoxe de l’EPR”, explique Matteo Fadel, doctorant et auteur principal de l’étude. “C’est fascinant d’observer un phénomène aussi fondamental de la physique quantique dans des systèmes de plus en plus grands. En même temps, nos expériences établissent un lien entre deux des œuvres les plus importantes d’Einstein.”

Sur la voie de la technologie quantique

En plus de leur recherche fondamentale, les scientifiques spéculent déjà sur les applications possibles de leur découverte. Par exemple, les corrélations qui sont au cœur du paradoxe de l’EPR pourraient être utilisées pour améliorer les capteurs atomiques et les méthodes d’imagerie des champs électromagnétiques. Le développement de capteurs quantiques de ce type est l’un des objectifs du Pôle national de recherche en sciences et technologies quantiques (PRN QSIT), dans lequel l’équipe de chercheurs est activement impliquée.

Recherche

Sources : MessageToEagle.comUniversité de Bâle

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