Les chatons de Schrödinger n’ont jamais été très mignons, et la dernière portée ne fait pas exception. Il est peu probable que les images de nuages nébuleux d’atomes ultracordes ou de bandes microscopiques de silicium deviennent virales sur Internet. Tout de même, ces objets exotiques méritent d’être pris en compte, car ils montrent avec une clarté sans précédent que la mécanique quantique n’est pas seulement la physique de l’extrêmement petit.

Les ”chatons de Schrödinger » sont des objets de taille intermédiaire entre l’échelle atomique, que la mécanique quantique a été développée à l’origine pour décrire, et le chat qu’Erwin Schrödinger a invoqué pour souligner l’apparente absurdité de ce que cette théorie semblait impliquer. Ces systèmes sont « mésoscopiques » – peut-être autour de la taille de virus ou de bactéries, composés de plusieurs milliers, voire de milliards d’atomes, et donc beaucoup plus grands que les échelles typiques auxquelles les propriétés mécaniques quantiques contre-intuitives apparaissent habituellement. Ils sont conçus pour sonder la question: Quelle taille pouvez-vous obtenir tout en préservant ces propriétés quantiques?

À en juger par les derniers résultats, la réponse est: sacrément grande. Deux types distincts d’expériences — toutes deux réalisées par plusieurs groupes indépendamment — ont montré qu’un grand nombre d’atomes peuvent être placés dans des états quantiques collectifs, où nous ne pouvons pas dire définitivement que le système possède un ensemble de propriétés ou une autre. Dans une série d’expériences, cela signifiait « enchevêtrer” deux régions d’un nuage d’atomes froids pour rendre leurs propriétés interdépendantes et corrélées de manière à ne pas tenir compte de leur séparation spatiale. Dans l’autre, des objets vibrants microscopiques ont été manoeuvrés en soi-disant superpositions d’états vibratoires. Les deux résultats sont vaguement analogues à la façon dont le tristement célèbre chat de Schrödinger, alors qu’il était caché dans sa boîte, était censé être dans une superposition d’états vivants et morts.

La question de savoir comment les règles de la mécanique quantique se transforment en règles apparemment très différentes de la mécanique classique — où les objets ont des propriétés, des positions et des chemins bien définis – a intrigué les scientifiques depuis que la théorie quantique a été développée au début du 20ème siècle. Y a-t-il une différence fondamentale entre les grands objets classiques et les petits objets quantiques? Cette énigme de la transition dite quantique-classique a été mise en évidence de manière emblématique par l’expérience de pensée de Schrödinger.

Le pauvre chat est une bête mal comprise. Le point de Schrödinger n’était pas, comme souvent sous-entendu, l’absurdité apparente de la mécanique quantique si elle était extrapolée à l’échelle quotidienne. Le chat était le produit de la correspondance entre Schrödinger et Albert Einstein, après qu’Einstein eut critiqué l’interprétation de la mécanique quantique défendue par le physicien danois Niels Bohr et ses collègues.

Bohr a soutenu que la mécanique quantique semble nous forcer à conclure que les propriétés des objets quantiques comme les électrons n’ont pas de valeurs bien définies jusqu’à ce que nous les mesurions. Pour Einstein, il semblait fou qu’un élément de la réalité dépende de notre intervention consciente pour la réaliser. Avec deux collègues plus jeunes, Boris Podolsky et Nathan Rosen, il présente en 1935 une expérience de pensée qui semble rendre cette interprétation impossible. Les trois d’entre eux (dont les travaux portent désormais le label collectif EPR) ont noté que les particules peuvent être créées dans des états qui doivent être corrélés les uns aux autres, en ce sens que si l’un d’eux a une valeur particulière pour une propriété, l’autre doit avoir une autre valeur particulière. Dans le cas de deux électrons, qui ont une propriété appelée spin, un spin peut pointer « vers le haut” tandis que le spin de l’autre électron pointe « vers le bas ». »

Dans ce cas, selon Einstein et ses collègues, si Bohr a raison et que les directions réelles des spins sont indéterminées jusqu’à ce que vous les mesuriez, alors la corrélation des deux spins signifie que la mesure de l’un d’eux fixe instantanément l’orientation de l’autre — quelle que soit la distance de la particule. Einstein a appelé cette connexion apparente « une action effrayante à distance. »Mais un tel phénomène devrait être impossible, car la théorie de la relativité restreinte d’Einstein montre qu’aucune influence ne peut se propager plus rapidement que la lumière.

Schrödinger a appelé cette corrélation entre les particules « intrication. »Des expériences depuis les années 1970 ont montré qu’il s’agissait d’un véritable phénomène quantique. Mais cela ne signifie pas que les particules quantiques peuvent en quelque sorte s’influencer instantanément dans l’espace grâce à l’action effrayante d’Einstein. Il vaut mieux dire que les propriétés quantiques d’une seule particule ne sont pas nécessairement déterminées à un endroit fixe de l’espace, mais peuvent être « non locales”: entièrement spécifiées uniquement par rapport à une autre particule ailleurs, d’une manière qui semble saper notre notion intuitive d’espace et de distance.

Le chat de Schrödinger est né de ses réflexions sur les particularités de l’enchevêtrement des EPR. Schrödinger voulait montrer comment la notion de Bohr selon laquelle rien n’est fixé jusqu’à ce qu’il soit mesuré pourrait conduire à une absurdité logique si nous imaginions faire exploser l’enchevêtrement jusqu’à la taille quotidienne. Son expérience de pensée place le malheureux chat dans une boîte fermée avec une fiole de poison mortel, qui peut être ouverte par un mécanisme qui le relie à — en fait, l’enchevêtre avec — une particule quantique ou un événement. Le déclencheur pourrait provenir d’un électron, brisant le flacon s’il a un spin vers le haut mais pas s’il a un spin vers le bas. Vous pouvez ensuite préparer l’électron dans une soi-disant superposition d’états, dans laquelle le spin ascendant et le spin descendant sont des résultats possibles d’une mesure. Mais si la rotation est indéterminée avant la mesure, le statut du chat doit l’être également — vous ne pouvez pas dire de manière significative s’il est vivant ou mort. Et c’est sûrement absurde.

Le point de Schrödinger n’était pas simplement que les règles quantiques conduisaient à un non—sens apparent lorsqu’elles étaient appliquées à l’échelle quotidienne – vous n’avez pas besoin d’un chat pour cela. Il voulait plutôt trouver une démonstration extrême de la façon dont le report de toute attribution d’un état défini (vivant ou mort) jusqu’à ce que la mesure ait été faite (en ouvrant la boîte pour regarder) pourrait entraîner des implications qui semblent non seulement étranges mais logiquement interdites.

Pour Bohr, cela aurait semblé un scénario invalide — la mesure, comme ouvrir la boîte et regarder le chat, était pour lui toujours un processus macroscopique et donc classique, de sorte que les règles quantiques ne s’appliqueraient plus. Mais alors, comment la mesure assure-t-elle cette transformation magique du quantique au classique?

Au lieu de discuter à ce sujet, pourquoi ne pas simplement faire l’expérience? Le problème est que, même s’il était très bien pour Schrödinger d’imaginer faire un chat « quantique” en le couplant à un événement à l’échelle atomique, il n’est pas du tout clair comment – ou même si — nous pouvons le faire dans la pratique, ou bien ce qu’une superposition de vivants et de morts pourrait signifier en termes d’états quantiques.

Mais avec les techniques modernes, nous pouvons imaginer créer des superpositions quantiques bien définies d’objets relativement gros – pas aussi gros que les chats, mais beaucoup plus gros que les atomes solitaires — et sonder leurs propriétés. C’est ce que sont les efforts pour créer les chatons de Schrödinger.

« Beaucoup de physiciens ne s’attendent pas vraiment à des surprises à grande échelle”, a déclaré Simon Gröblacher de l’Université de technologie de Delft aux Pays-Bas. « Mais on ne sait tout simplement pas ce qui se passera si vous commencez à créer des états quantiques avec environ 1023 atomes”, ce qui est l’échelle typique des objets du quotidien.

Les nouvelles expériences montrent que, malgré ce que Schrödinger pensait, des objets relativement grands peuvent en effet présenter un comportement quantique contre-intuitif.

Gröblacher et ses collègues ont créé des micro-faisceaux de silicium de 10 micromètres de long chacun et de 1 par 0,25 micromètre de section. Chacun comportait des trous le long des faisceaux qui absorbaient et piégeaient la lumière laser infrarouge. Les chercheurs ont ensuite excité ces faisceaux avec de la lumière envoyée dans une superposition de chemins, un à chaque faisceau. Ce faisant, ils ont pu enchevêtrer deux faisceaux dans un seul état vibratoire quantique. On pourrait le considérer comme le tout petit équivalent de deux chats enchevêtrés.

Un autre type d’enchevêtrement entre oscillateurs mécaniques a été rapporté, dans des articles consécutifs avec l’équipe de Gröblacher dans Nature, par Mika Sillanpää de l’Université d’Aalto en Finlande et ses collègues. Ils ont couplé deux tôles microscopiques ressemblant à des têtes de tambour via un fil supraconducteur. Le fil peut contenir un courant électrique oscillant à des fréquences hyperfréquences (environ 5 milliards de vibrations par seconde) ; son champ électromagnétique exerce une pression sur les plaques vibrantes. « Les champs électromagnétiques agissent comme une sorte de milieu qui force les deux têtes de batterie dans l’état quantique enchevêtré”, a déclaré Sillanpää.

Les chercheurs ont longtemps cherché à obtenir des effets quantiques tels que la superposition et l’enchevêtrement dans de « grands” oscillateurs micromécaniques comme ceux-ci, qui contiennent des milliards d’atomes. « Les états enchevêtrés des oscillateurs mécaniques sont discutés théoriquement depuis la fin des années 1970, mais ce n’est qu’au cours des dernières années qu’il a été techniquement possible de créer de tels états”, a déclaré Sillanpää.

Ce qui rend ces expériences un tel tour de force, c’est qu’elles évitent le processus qui transforme généralement de grands objets de ceux régis par des règles quantiques en ceux obéissant à la physique classique. Ce processus semble fournir la partie manquante (du moins, la plus grande partie) du puzzle de la mesure, que Bohr a laissé si incroyablement vague.

C’est ce qu’on appelle la décohérence — et, plutôt proprement, il s’agit d’enchevêtrement. Selon la mécanique quantique, l’enchevêtrement est un résultat inévitable de toute interaction entre deux objets quantiques. Donc, si un objet — un chat, disons – commence par une superposition d’états, cette superposition — cette quantumness, pourrait—on dire – se propage à mesure que l’objet interagit avec son environnement et devient de plus en plus empêtré avec lui. Mais si vous voulez réellement observer la superposition, vous devrez déduire le comportement quantique de toutes les particules enchevêtrées. Cela devient rapidement impossible, de la même manière qu’il devient impossible de tracer tous les atomes dans une goutte d’encre lorsqu’elle se disperse dans une piscine. En raison de l’interaction avec l’environnement, la nature quantique de la particule d’origine s’échappe et est dispersée. C’est la décohérence.

Les théoriciens quantiques ont montré que la décohérence donne lieu au type de comportement observé en physique classique. Et les expérimentateurs l’ont prouvé dans des expériences qui peuvent contrôler le taux de décohérence, où les effets quantiques caractéristiques tels que l’interférence ondulatoire des particules disparaissent progressivement à mesure que la décohérence se poursuit.

La décohérence est donc au cœur de la compréhension actuelle de la transition quantique-classique. La capacité d’un objet à montrer un comportement quantique, tel que les corrélations induites par l’interférence, la superposition et l’enchevêtrement, n’a rien à voir avec sa taille. Au lieu de cela, cela dépend de la façon dont il est empêtré avec son environnement.

Néanmoins, la taille joue généralement un rôle, car plus un objet est gros, plus il peut facilement s’emmêler avec son environnement et se décohérer. Un objet grand, chaud et agité comme un chat n’a aucun espoir de rester dans une superposition mécanique quantique d’aucune sorte et se décoira plus ou moins instantanément.

Si vous collez simplement un chat dans une boîte et liez son destin au résultat d’un événement quantique, vous ne le placerez probablement pas dans une superposition de vivant et de mort, car la décohérence le forcera presque instantanément dans un état ou l’autre. Si vous pouviez supprimer la décohérence en supprimant toute interaction avec l’environnement (sans tuer le chat dans un vide ultracold!) – eh bien, alors c’est une autre histoire et les arguments persistent. Il est presque impossible d’imaginer comment y parvenir pour un chat. Mais c’est en substance ce que les équipes de Gröblacher et Sillanpää ont réalisé avec leurs minuscules oscillateurs.

Au lieu de travailler vers la limite quantique-classique de haut en bas, en voyant si nous pouvons évoquer la quantumness dans un objet vibrant quand il est assez petit, nous pouvons l’atteindre de bas en haut. Puisque nous savons que des effets quantiques tels que la superposition et l’interférence sont facilement visibles dans des atomes individuels et même dans de petites molécules, nous pouvons nous demander dans quelle mesure ces effets peuvent être soutenus alors que nous continuons à ajouter plus d’atomes. Trois équipes ont maintenant exploré cette question, atteignant des états quantiques pour des nuages pouvant contenir jusqu’à des dizaines de milliers d’atomes ultracordes en les enchevêtrant dans un état appelé condensat de Bose-Einstein (BEC).

Einstein et le physicien indien Satyendra Nath Bose ont souligné qu’un tel état peut exister parmi les bosons (du nom de Bose), l’une des deux classes générales de particules fondamentales. Dans un BEC, toutes les particules sont dans le même état quantique unique, ce qui signifie en effet qu’elles agissent plutôt comme un seul grand objet quantique. Parce qu’il s’agit d’un effet quantique, la condensation de Bose-Einstein ne se produit qu’à des températures très basses, et un BEC n’a été vu sous sa forme la plus pure — un nuage de particules bosoniques — qu’en 1995, dans des atomes de rubidium refroidis à seulement quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu.

Les BECS fabriqués à partir de tels atomes ultracordes ont donné aux physiciens un nouveau moyen d’étudier les phénomènes quantiques. Dans le passé, des chercheurs ont montré qu’un tel nuage — peut—être plusieurs milliers d’atomes – peut être placé dans un état dans lequel tous les atomes sont enchevêtrés entre eux.

Ce ne sont pas strictement les chatons de Schrödinger, a déclaré Carsten Klempt de l’Université Leibniz de Hanovre en Allemagne. Ceux-ci sont généralement définis comme des superpositions d’états aussi différents que possible: par exemple, tous avec spin ascendant et tous avec spin descendant (analogues à « vivant” et « mort”). Ce n’est pas le cas dans ces nuages d’atomes enchevêtrés. Néanmoins, ils montrent toujours un comportement quantique à une échelle relativement énorme.

Il y a une condition plus importante, cependant, à l’idée qu’ils sont des incarnations « à l’échelle d’un chaton » de l’enchevêtrement de style EPR. Les atomes sont tous mélangés dans l’espace et sont identiques et indiscernables. Cela signifie que, même s’ils sont enchevêtrés, vous ne pouvez pas le voir en termes de corrélation entre la propriété d’un objet ici et d’un autre là. ”Les condensats d’atomes ultracordes de Bose-Einstein sont constitués de grands ensembles d’atomes indiscernables, littéralement égaux dans tout observable physique », a déclaré Klempt. « Par conséquent, la définition originale de l’enchevêtrement ne peut pas être réalisée en eux.”En fait, tout le concept d’enchevêtrement entre des particules indiscernables a été théoriquement contesté. ”En effet, la notion d’enchevêtrement nécessite la possibilité de définir les sous-systèmes qui sont enchevêtrés les uns avec les autres », a déclaré Philipp Kunkel de l’Université de Heidelberg en Allemagne.

Un enchevêtrement beaucoup plus clair, directement analogue à l’enchevêtrement des particules spatialement séparées dans l’expérience de pensée EPR, a maintenant été démontré dans trois expériences distinctes par l’équipe de Klempt à Hanovre, le groupe de Kunkel (dirigé par Markus Oberther) à Heidelberg, et une équipe dirigée par Philipp Treutlein à l’Université de Bâle en Suisse. ”Le conflit avec la physique classique est particulièrement frappant lorsque l’enchevêtrement est observé entre de tels systèmes spatialement séparés », a déclaré Treutlein. « C’est la situation que considère le document EPR de 1935. »

Les trois groupes ont utilisé des nuages de centaines à milliers d’atomes de rubidium détenus dans des champs de piégeage électromagnétique (soit produits par des dispositifs microscopiques sur une « puce atomique », soit générés par des faisceaux laser croisés). Les chercheurs ont utilisé des lasers infrarouges pour exciter les transitions quantiques dans les spins des atomes et ont cherché les corrélations entre les valeurs de spin qui sont le signe révélateur de l’enchevêtrement. Alors que les groupes de Heidelberg et de Bâle abordaient deux régions différentes dans un seul grand nuage, le groupe de Klempt a en fait divisé le nuage en insérant une région d’espace vide au milieu.

Les groupes de Bâle et de Heidelberg ont démontré l’intrication par un effet appelé direction quantique, dans lequel l’interdépendance apparente des deux régions enchevêtrées est exploitée de sorte que les mesures effectuées sur l’une d’elles permettent aux chercheurs de prédire les mesures de l’autre. « Le terme « direction » a été introduit par Schrödinger », a expliqué Treutlein. « Cela fait référence au fait que, selon le résultat de la mesure dans la région A, l’état quantique que nous utilisons pour décrire le système B change. »Mais cela n’implique pas qu’il y ait un transfert instantané d’informations ou une communication entre A et B. « On ne peut pas orienter l’état du système distant de manière déterministe, car le résultat de la mesure est toujours probabiliste”, a déclaré Kunkel. « Il n’y a pas d’influence causale. »

Ces résultats sont « très excitants », a déclaré Jens Eisert de l’Université libre de Berlin, qui n’a pas participé aux travaux. ”L’enchevêtrement dans les vapeurs atomiques a été généré bien avant », a-t-il déclaré, « mais ce qui est différent ici, ce sont les niveaux d’adressabilité et de contrôle dans ces systèmes. »

Mis à part la démonstration plus claire de l’enchevêtrement lorsqu’il existe entre des régions spatialement séparées, il y a aussi un avantage pratique à faire les choses de cette façon: Vous pouvez aborder les régions séparées individuellement pour le traitement de l’information quantique. « Il n’est même pas possible, en principe, d’aborder des atomes individuels dans le BEC sans affecter tous les autres atomes, s’ils sont tous au même endroit”, a déclaré Treutlein. « Cependant, si nous pouvons traiter individuellement les deux régions séparées spatialement, l’intrication devient disponible pour des tâches d’information quantique telles que la téléportation quantique ou l’échange d’intrication. »Cela nécessitera cependant que la séparation physique des nuages soit augmentée au-delà de ce qui a été fait dans les expériences actuelles, a-t-il ajouté. Idéalement, dit Klempt, vous diviseriez davantage le nuage en atomes adressables individuellement.

De « grands” objets quantiques comme ceux-ci pourraient également nous permettre de sonder une nouvelle physique: pour savoir, par exemple, ce qui se passe lorsque la gravité commence à avoir une influence significative sur le comportement quantique. ”Avec cette nouvelle façon de contrôler et de manipuler de grands États enchevêtrés, il pourrait y avoir de la place pour des tests sophistiqués des effets quantiques dans les théories gravitationnelles », a déclaré Eisert. Il a été proposé, par exemple, que les effets gravitationnels pourraient induire un effondrement physique des états quantiques en états classiques, une idée qui se prête en principe à des expériences sur des superpositions ou des états enchevêtrés de grandes masses. Treutlein a déclaré qu’une façon de tester les modèles d’effondrement physique implique des interférences entre des « ondes de matière” atomiques distinctes – et, a—t-il ajouté, le BEC séparé et enchevêtré de son groupe peut agir comme un tel interféromètre atomique. ”La plupart des physiciens ne s’attendront probablement pas à une panne soudaine de la physique quantique » à mesure que la taille du système augmentera, a déclaré Klempt. Mais Kunkel a ajouté que « c’est toujours une question ouverte, expérimentalement et théoriquement, s’il existe une limite fondamentale à la taille des objets qui peuvent être empêtrés les uns avec les autres. »

« La question la plus intéressante est de savoir s’il existe une taille fondamentale où l’on ne peut pas en quelque sorte faire d’enchevêtrement”, a déclaré Sillanpää. « Cela signifierait qu’autre chose en plus de la mécanique quantique normale entre dans l’image, et cela pourrait être, par exemple, un effondrement dû à la gravité. »Si la gravité joue un rôle, cela pourrait offrir quelques conseils pour développer une théorie de la gravité quantique qui unit les théories actuellement incompatibles de la mécanique quantique et de la relativité générale.

Ce serait tout un coup pour les chatons de Schrödinger. Pour l’instant, ils renforcent la conviction générale qu’il n’y a rien de spécial dans le comportement quantique, au-delà du fait qu’il se transforme en un berceau de chat toujours plus emmêlé d’où émerge notre toile classique. Et aucun chat n’a besoin d’être tué dans le processus.