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Avez-vous déjà été dans plus d'un endroit à la fois? Si vous êtes beaucoup plus gros qu'un atome, la réponse sera non.
Mais les atomes et les particules sont régis par les règles de la mécanique quantique, dans laquelle plusieurs situations possibles différentes peuvent coexister à la fois.
Les systèmes quantiques sont régis par ce qu'on appelle une «fonction d'onde»: un objet mathématique qui décrit les probabilités de ces différentes situations possibles.
Et ces différentes possibilités peuvent coexister dans la fonction d'onde comme ce qu'on appelle une «superposition» d'états différents. Par exemple, une particule existant à plusieurs endroits différents à la fois est ce que nous appelons «superposition spatiale».
Ce n'est que lorsqu'une mesure est effectuée que la fonction d'onde «s'effondre» et que le système se retrouve dans un état défini.
En général, la mécanique quantique s'applique au petit monde des atomes et des particules. Le jury est toujours sur ce que cela signifie pour les objets de grande taille.
Dans notre recherche, publié aujourd'hui dans Optica, nous proposons une expérience susceptible de résoudre une fois pour toutes cette question épineuse.
Le chat d'Erwin Schrödinger
Dans les années 1930, le physicien autrichien Erwin Schrödinger a inventé sa célèbre expérience de pensée sur un chat dans une boîte qui, selon la mécanique quantique, pourrait être vivant et mort en même temps.
Dans celui-ci, un chat est placé dans une boîte scellée dans laquelle un événement quantique aléatoire a 50 à 50 chances de le tuer. Jusqu'à ce que la boîte soit ouverte et que le chat soit observé, le chat est à la fois mort ainsi que vivant en même temps.
En d'autres termes, le chat existe en tant que fonction d'onde (avec de multiples possibilités) avant d'être observé. Lorsqu'il est observé, il devient un objet défini.
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Qu'est-ce que le chat de Schrödinger?
Après de nombreux débats, la communauté scientifique de l'époque est parvenue à un consensus avec le "Interprétation de Copenhague». Cela dit fondamentalement que la mécanique quantique ne peut s'appliquer qu'aux atomes et aux molécules, mais ne peut pas décrire des objets beaucoup plus grands.
Il s'avère qu'ils avaient tort.
Au cours des deux dernières décennies environ, les physiciens ont créé états quantiques dans objets composés de milliards d'atomes - assez grand pour être vu à l'œil nu. Bien que cela ait pas encore inclus la superposition spatiale.
Comment une fonction d'onde devient-elle réelle?
Mais comment la fonction d'onde devient-elle un objet «réel»?
C'est ce que les physiciens appellent le «problème de la mesure quantique». Cela a intrigué les scientifiques et les philosophes pendant environ un siècle.
S'il existe un mécanisme qui supprime le potentiel de superposition quantique d'objets à grande échelle, il faudrait en quelque sorte «perturber» la fonction d'onde - et cela créerait de la chaleur.
Si une telle chaleur est trouvée, cela implique que la superposition quantique à grande échelle est impossible. Si une telle chaleur est exclue, il est probable que la nature ne craint pas «d'être quantique», quelle que soit sa taille.
Si tel est le cas, avec les progrès de la technologie, nous pourrions mettre de gros objets, peut-être même des êtres sensibles, en états quantiques.
Ceci est une illustration d'un résonateur en superposition quantique. La vague rouge représente la fonction d'onde. Christopher Baker, Auteur fourni
Les physiciens ne savent pas à quoi ressemblerait un mécanisme empêchant les superpositions quantiques à grande échelle. Selon certains, c'est un champ cosmologique inconnu. Autres gravité suspecte pourrait avoir quelque chose à voir avec cela.
Le lauréat du prix Nobel de physique de cette année, Roger Penrose, pense que cela pourrait être une conséquence de la conscience des êtres vivants.
Chasser les mouvements minuscules
Depuis une dizaine d'années, les physiciens recherchent fébrilement une trace de chaleur qui indiquerait une perturbation de la fonction d'onde.
Pour le savoir, nous aurions besoin d'une méthode capable de supprimer (aussi parfaitement que possible) toutes les autres sources de chaleur «excédentaire» qui peuvent empêcher une mesure précise.
Nous aurions également besoin de contrôler un effet appelé «rétroaction» quantique, dans lequel l'acte d'observer lui-même crée de la chaleur.
Dans nos recherches, nous avons formulé une telle expérience, qui pourrait révéler si la superposition spatiale est possible pour des objets à grande échelle. Le meilleur expériences jusqu'à présent n’ont pas été en mesure d’y parvenir.
Trouver la réponse avec de minuscules faisceaux qui vibrent
Notre expérience utiliserait des résonateurs à des fréquences beaucoup plus élevées que celles utilisées. Cela éliminerait le problème de la chaleur du réfrigérateur lui-même.
Comme c'était le cas dans les expériences précédentes, nous aurions besoin d'utiliser un réfrigérateur à 0.01 degré kelvin au-dessus du zéro absolu. (Le zéro absolu est la température la plus basse théoriquement possible).
Avec cette combinaison de très basses températures et de très hautes fréquences, les vibrations dans les résonateurs subissent un processus appelé «condensation de Bose».
Vous pouvez imaginer cela comme le résonateur devenant si solidement gelé que la chaleur du réfrigérateur ne peut pas le bouger, même pas un peu.
Nous utiliserions également une stratégie de mesure différente qui ne regarde pas du tout le mouvement du résonateur, mais plutôt la quantité d'énergie dont il dispose. Cette méthode supprimerait également fortement la chaleur de rétroaction.
Mais comment ferions-nous cela?
Des particules uniques de lumière entreraient dans le résonateur et rebondiraient plusieurs millions de fois, absorbant tout excès d'énergie. Ils finiraient par quitter le résonateur, emportant l'excès d'énergie.
En mesurant l'énergie des particules lumineuses sortant, nous avons pu déterminer s'il y avait de la chaleur dans le résonateur.
Si de la chaleur était présente, cela indiquerait qu'une source inconnue (que nous n'avons pas contrôlée) a perturbé la fonction d'onde. Et cela signifierait qu'il est impossible que la superposition se produise à grande échelle.
Tout est-il quantique?
L'expérience que nous proposons est un défi. Ce n'est pas le genre de chose que vous pouvez installer avec désinvolture un dimanche après-midi. Cela peut prendre des années de développement, des millions de dollars et tout un tas de physiciens expérimentés qualifiés.
Néanmoins, cela pourrait répondre à l'une des questions les plus fascinantes sur notre réalité: tout est-il quantique? Et donc, nous pensons certainement que cela en vaut la peine.
Quant à mettre un humain, ou un chat, en superposition quantique - il n'y a vraiment aucun moyen pour nous de savoir comment cela affecterait cet être.
Heureusement, c'est une question à laquelle nous n'avons pas à réfléchir pour l'instant.
À propos de l’auteur
Stefan Forstner, chercheur postdoctoral, L'Université du Queensland
Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.
