Un chat de Schrödinger à la fois mort

et vivant dans deux boîtes

Le chat de Schrödinger est une expérience de pensée souvent évoquée en physique quantique. Ce paradoxe célèbre décrit la combinaison linéaire d’états appliquée à un sujet assez particulier : un chat. Futura-Sciences a rencontré Claude Aslangul, physicien, pour qu’il nous parle plus en détail de cette idée.

Lorsque Einstein et Schrödinger ont mis en évidence le phénomène d’intrication quantique en 1935, le premier avec l’effet EPR et le second avec le fameux paradoxe du chat dit de Schrödinger, ils étaient sans aucun doute à mille lieues d’imaginer qu’il donnerait le jour au riche domaine de l’information quantique. Le concept le plus fascinant qui en a émergé est sans aucun doute celui d'ordinateur quantique. Malheureusement, si celui-ci peut en théorie surpasser considérablement un ordinateur classique dans la résolution de certains problèmes, sa concrétisation se heurte au redoutable phénomène de la décohérence.

Rappelons que selon le paradoxe du chat de Schrödinger, l’application des règles de la mécanique quantique par un observateur extérieur à une boîte contenant un chat et un dispositif capable de le tuer, déclenché en cas de désintégration d’un atome radioactif, semble conduire à une situation violemment contre-intuitive. Tant que l’observateur n’ouvre pas la boîte, le chat est pour lui dans un état dit de superposition quantique où il est à la fois mort et vivant. La raison en est que chat et l’atome radioactif y sont intriqués alors que l’atome lui-même est dans une superposition de deux états, celui où il s’est désintégré et celui où ce n’est pas le cas. L’intrication transmet alors au chat cet état de superposition.

L’un des pères de la mécanique quantique, le prix Nobel de physique Erwin Schrödinger. Sa mécanique des ondes de matière gouvernées par l’équation portant son nom a permis de comprendre les propriétés des atomes et des molécules. Il a découvert avec Einstein, en 1935, le phénomène d’intrication quantique impliqué par son équation. © Cern

Une nouvelle voie vers des calculs quantiques

fiables et puissants

La solution de ce paradoxe repose sur le fait que l’atome et le chat ne sont pas isolés de l’influence physique de l’environnement, qui les perturbe. De sorte que rapidement le système bascule dans un seul état. On parle de phénomène de décohérence et il a été mis en évidence expérimentalement pendant les années 1990 par le prix Nobel de physique Serge Haroche et ses collègues. Les perturbations de l’environnement introduisent également des erreurs dans les calculs quantiques que pourraient faire des ordinateurs et même empêcher leur exécution. C’est pourquoi les chercheurs tentent de résoudre ce problème avec des systèmes physiques plus résistants à la décohérence et où des algorithmes de corrections d’erreurs, cousins de ceux employés avec les ordinateurs classiques, permettraient également d’en limiter les effets.

Une équipe internationale de chercheurs vient d’ailleurs d’annoncer un résultat intéressant à cet égard comme ils l’expliquent dans un article disponible sur arXiv. Ils sont parvenus à créer l’équivalent d’un chat de Schrödinger qui serait également dans une superposition quantique de deux positions dans deux boîtes quantiquement intriquées.

Les deux boîtes sont des cavités en aluminium dans lesquelles sont piégés un certain nombre de photons constituant une onde électromagnétique dans le domaine des micro-ondes. On peut la décrire dans chaque boîte par des oscillations d’un champ électrique car on est presque dans le cas où la description classique de la lumière suffit pour rendre compte de l’état de ces photons. Ces oscillations peuvent être vues comme celles d’un pendule légèrement éloigné de l’équilibre. Selon qu’il est dans une position à gauche ou à droite de cet équilibre, on peut introduire une description quantique avec deux états, analogues de ceux d’un chat mort ou vivant.

Dans l’expérience réalisée, le chat est dans le même état dans les deux boîtes à cause de l’intrication. Mais ces deux états sont en superposition quantique, ce qui donne bien un chat de Schrödinger à la fois mort et vivant et dans deux endroits à la fois.

Son intérêt est, comme on l’a annoncé précédemment, d’ouvrir la porte à des calculs quantiques plus résistants à la décohérence et où la correction des erreurs par des codes quantiques est plus facile et plus efficace. Selon les chercheurs, cela devrait aussi être utile dans le domaine de la métrologie et des réseaux de communication quantiques.

Une métaphore du chat de Schrödinger dans un état de superposition quantique où il est à la fois mort et vivant. © Mopic, Shutterstock