Imaginez deux particules capables de communiquer instantanément, peu importe la distance qui les sépare. Ce phénomène, connu sous le nom d’intrication quantique, défie notre intuition sur la manière dont fonctionne l’Univers. Longtemps considérée comme un étrange paradoxe par Albert Einstein lui-même qui la qualifiait de mystérieuse action à distance, l’intrication a été maintes fois démontrée à l’échelle macroscopique. Plus récemment, des scientifiques ont fait une découverte spectaculaire : ce phénomène étrange se produit aussi à l’intérieur des protons, ces briques fondamentales de la matière. Cette découverte bouleverse notre vision de l’infiniment petit et ouvre la voie à de nouvelles explorations scientifiques.
Qu’est-ce que l’intrication quantique ?
L’intrication quantique décrit une situation où après avoir interagi, deux particules deviennent liées de manière telle que leurs états respectifs sont instantanément corrélés, peu importe la distance qui les sépare. Cela signifie qu’une modification de l’état de l’une affecte immédiatement l’autre sans aucun retard lié à la distance.
Dans le détail, l’intrication quantique repose sur un principe fondamental de la mécanique quantique : le principe de superposition. Lorsqu’une paire de particules devient intriquée, leurs états quantiques ne sont pas simplement des états individuels indépendants, mais forment un seul et même état global. Cela signifie que les propriétés des particules, comme leur spin, leur polarisation ou leur position, ne peuvent pas être décrites de manière isolée. Au lieu de cela, elles sont décrites en termes d’un seul état quantique commun. Ainsi, même si ces particules sont séparées, leur état total reste lié et l’information sur l’une est instantanément reflétée dans l’autre dès qu’une mesure est effectuée sur l’une d’elles.
Ce phénomène va à l’encontre de l’intuition classique. À l’échelle quantique, l’intrication crée en effet une sorte de pont entre les particules qui permet un échange instantané d’information. En pratique, lorsqu’une mesure est effectuée sur l’une des particules intriquées (par exemple, mesurer son spin), l’état de l’autre particule, peu importe la distance qui les sépare, est immédiatement déterminé. Ce processus est instantané, ce qui défie les concepts de vitesse et de causalité que nous connaissons dans notre expérience quotidienne.
Cependant, il est important de noter que cette instantanéité ne permet pas de transmettre des informations à une vitesse supérieure à celle de la lumière. La transmission d’une information classique nécessite une interaction physique qui est soumise aux limites de la vitesse de la lumière. Ainsi, bien que l’intrication semble instantanée, elle ne permet pas de violer les principes fondamentaux de la relativité.
Les expériences à l’échelle macro et les preuves expérimentales
Pendant des décennies, les scientifiques ont cherché à tester l’intrication quantique dans des expériences impliquant des objets plus grands que les simples particules subatomiques, afin de comprendre les implications de ce phénomène à une échelle plus tangible. Une série d’expériences cruciales, menées à partir des années 1980, a permis de confirmer que l’intrication ne se limite pas à des modèles théoriques.
Ces expériences consistaient à mesurer les corrélations entre les états de particules séparées par de grandes distances. L’une des plus célèbres est celle de l’expérience de Alain Aspect, réalisée en 1982, où des photons intriqués ont été envoyés dans des directions opposées. L’étude des mesures effectuées sur ces photons a révélé des corrélations qui ne pouvaient pas être expliquées par des influences locales classiques. D’autres expériences de ce type ont été menées depuis, avec des avancées technologiques permettant de tester l’intrication dans des conditions de plus en plus rigoureuses.
Ces résultats ont démontré que l’intrication n’est pas simplement un artefact théorique, mais bien une réalité observable, valide même à des échelles macroscopiques. Toutefois, ces expériences se concentraient encore principalement sur des systèmes de particules relativement grandes, comme les photons, et non sur des particules aussi petites que les quarks et gluons présents dans les protons. La découverte récente, qui étend l’intrication à l’intérieur des protons, marque donc un tournant radical dans notre compréhension de ce phénomène.
Ce que les chercheurs ont découvert à l’intérieur des protons
Un proton, loin d’être une particule simple, est un univers miniature composé de quarks et de gluons. Les quarks sont les blocs fondamentaux de la matière, tandis que les gluons agissent comme des éléments de liaison, transportant les forces qui maintiennent les quarks ensemble. Jusqu’à présent, on considérait ces constituants comme relativement indépendants. Cependant, une équipe de chercheurs a démontré que ces éléments sont, en fait, intriqués.
Pour démontrer cette intrication, les scientifiques ont utilisé des collisions de particules à haute énergie, comme celles qui se produisent dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC) et le collisionneur de particules HERA. Lorsqu’un proton entre en collision avec une autre particule à des vitesses extrêmes, il se décompose en une pluie de particules secondaires, à l’image des débris projetés lors d’un accident de voiture.
Une technique innovante introduite en 2017 a permis de mesurer le degré d’ordre ou de désordre dans ces événements en étudiant ce qu’on appelle l’entropie. Plus l’entropie est élevée, plus les particules produites montrent un état d’intrication maximale. En analysant les données des collisions proton-proton et électron-proton, les chercheurs ont constaté que l’entropie observée correspondait parfaitement à leurs prédictions théoriques sur l’intrication. En termes simples, les quarks et les gluons à l’intérieur d’un proton ne sont pas isolés, mais forment un système dynamique et connecté.
Pourquoi cette découverte sur l’intrication est-elle importante ?
La découverte de l’intrication à l’intérieur des protons redéfinit notre compréhension de ces particules, souvent perçues comme des entités simples. Elle montre que les protons sont des systèmes bien plus complexes et dynamiques que ce que l’on imaginait. Toutefois, au-delà de cette révélation fondamentale, cette découverte soulève des questions cruciales pour l’avenir de la physique.
Une des questions clés concerne l’effet de l’environnement sur l’intrication. Par exemple, lorsque les protons sont regroupés dans des noyaux atomiques, leur intrication est-elle conservée ou détruite ? Ce phénomène, appelé décohérence quantique, est essentiel pour comprendre comment les interactions fortes influencent la matière à l’échelle subatomique.
Ces recherches ouvrent aussi la voie à des explorations encore plus ambitieuses avec des instruments comme le futur collisionneur électron-ion (EIC), prévu pour 2030. Cet équipement permettra d’étudier comment l’intrication se comporte dans des environnements plus complexes, comme les noyaux denses composés de multiples protons et neutrons.
Enfin, cette découverte a des implications au-delà de la physique des particules. Comprendre l’intrication au niveau des protons pourrait éclairer des questions plus larges sur la manière dont l’information quantique est organisée dans l’univers. Cela pourrait même influencer des domaines appliqués, comme le calcul quantique, en apportant des idées sur la manière de gérer des systèmes d’intrication complexes.
