La superposition quantique

La superposition quantique montre que les particules existent à plusieurs endroits de l'univers simultanément, même à des distances infinies et communiquent entre elles

Un des aspects les plus intrigants de la mécanique quantique est sans doute l'existence de superpositions d'états. L'état quantique contient toute l'information sur un système. Il décrit, par exemple, un atome préparé dans un niveau d'énergie bien défini ou un électron localisé à une certaine position dans l'espace. La mécanique quantique est une théorie linéaire. Cela signifie que toute somme (toute combinaison linéaire) d'états possibles est aussi un état possible. Un état quantique peut donc décrire un atome qui est à la fois dans deux niveaux d'énergie, un électron qui est localisé à la fois en deux positions distinctes. L'existence de ces " états superposition " apparaît clairement dans les interférences quantiques, très similaires aux interférences observées en optique ou en acoustique. Dans l'expérience des " fentes d'Young ", réalisée depuis peu avec des atomes, l'atome " suit " en fait simultanément deux chemins dans l'appareil, entre source et détection, et la probabilité de le détecter à tel endroit ou tel autre révèle cette " superposition ".

Lorsqu'un photon rencontre un miroir demi-tain (un miroir demi-tain est un miroir qui réfléchit la moitié de la lumière qui lui parvient et laisse passer l'autre moitié) placé à 45°, sa fonction d'onde se sépare en deux. L'une est réfléchie et l'autre continue sa trajectoire au travers du miroir. La fonction d'onde du photon a alors deux pics.

Avec le temps, l'espace entre les deux pics augmente sans limite. Au bout d'un an, les deux protons de la fonction d'onde seront séparés de plus d'une année lumière dans l'espace. Ainsi le photon est en quelque sorte est à deux endroits au même moment, deux endroits distants d'une année lumière. Ne peut-on pas considérer le photon comme ayant 50% de chance de se trouver dans cette position et 50% dans l'autre ? Car quel que soit le temps écoulé il y a toujours possibilité que les deux parties soit réfléchies puis réunies à nouveau et interfèrent (et ceci ne peut être le résultat d'une probabilité 50-50 que le photon prenne une route ou l'autre).

Par conséquent, du moment qu'il y a possibilité que la fonction d'onde soit a nouveau réduite à un seul pic (situation avant le passage sur le miroir demi-tain) le photon en question se comporte comme s'il était à deux endroits en même temps.

Réalisons l'expérience suivante : un faisceau lumineux rencontre un miroir demi-tain positionné à 45° par rapport au faisceau. Chaque partie du faisceau rencontre ensuite un miroir à 45° et les deux faisceau sont réfléchis de façon qu'ils soient réunis sur un dernier miroir demi-tain. Deux cellules photoélectriques sont placées dans l'axe des deux faisceaux. Que constate-t-on? S'il s'agissait d'une probabilité pour que le photon suive une trajectoire ou l'autre, il y aurait 50-50 de chance que l'un des 2 détecteurs enregistre le photon.

Mais ce n'est pas ce qui se produit. Si les deux trajectoires sont exactement de même longueur, il y a 100% de chance que le photon atteigne le détecteur A (dans la direction initiale du photon). Bien entendu, une telle expérience n'a jamais été réalisée pour des longueurs d'onde de l'ordre de l'année lumière, mais les physiciens ne doutent pas du résultat. De telles expériences ont effectivement été réalisées mais pour des distances de quelques mètres et les résultats sont en parfait accord avec les prédictions. Que pouvons nous donc déduire sur la réalité de l'état d'existence du photon entre sa rencontre avec le premier miroir et le dernier ? Il semble inévitable que le photon, d'une façon ou d'une autre, soit passé par les deux chemins en même temps. Car si un écran absorbant est placé en travers d'une des deux routes, alors le photon a autant de chance d'atteindre A que B.

Lorsque les deux chemins sont accessibles (et de même longueur), seul A est atteint, comme si le photon " savait " qu'il ne peur atteindre B, ce qui signifie qu'il doit avoir " senti " les deux chemins.

Aussi étranges que nous paraissent les superpositions quantiques, elles sont nécessaires pour comprendre le monde microscopique. En revanche, imaginer leur extension au monde macroscopique conduit souvent à des absurdités. Schrödinger imagina ainsi un chat " préparé " dans une superposition quantique de deux états, le décrivant respectivement vivant et mort. Si la mécanique quantique autorise, en principe, des chats vivants et morts, nous savons bien que le monde ne tolère, à notre échelle, que des chats vivants ou morts. Il existe donc un mécanisme excluant ces superpositions. Si l'image du " chat de Schrödinger " ne doit être prise que comme une métaphore des superpositions quantiques, celles-ci jouent un rôle essentiel dans la mesure quantique. Une mesure est une transcription à l'échelle macroscopique (la position d'une aiguille...) de l'état d'un système quantique. Si des superpositions quantiques macroscopiques pouvaient exister, on devrait observer l'aiguille de nos appareils de mesure pointant à la fois dans toutes les directions correspondant à tous les résultats possibles, ce qui n'est bien sûr jamais le cas.

Imaginons d'abord une cellule parfaitement close, ne subissant ni ne produisant aucune influence avec ou sur l'extérieur. Un chat est placé à l'intérieur de la cellule. Un flacon contenant du poison est relié à une cellule photoélectrique. L'événement quantique est la mise en marche d'une cellule photoélectrique par un photon. Le photon, issu d'une source lumineuse se reflète sur un miroir demi-tain (un miroir demi-tain réfléchit la moitié seulement des rayons lumineux lui parvenant et transmet l'autre moitié). La réflexion sur le miroir coupe donc la fonction d'onde du photon en 2 parties, l'une d'elle est réfléchie par le miroir et va droit sur la cellule photoélectrique qui provoque la chute du poison et la mort du chat.

L'autre partie de la fonction d'onde est transmise à travers le miroir sur le mur, et le chat reste vivant. Si nous nous plaçons du point de vue d'un observateur à l'extérieur de cette cellule, pour lui aucune mesure n'a été faite. L'évolution de l'état quantique du système n'est autre qu'une superposition d'alternatives jusqu'a l'échelle du chat. (équation de Schrodinger). Les deux alternatives sont donc présentes et de même poids. Donc pour l'observateur à l'extérieur, le chat est dans une superposition d'états, mort et vivant en même temps..