Comment la nature de la cause et de l'effet déterminera l'avenir de la technologie quantique

Voici une question curieuse : certains événements physiques n'ont-ils pas de cause, ou y a-t-il une raison derrière chaque action ?

Cette énigme est au cœur de l'un des domaines les plus étranges de la science fondamentale. Et cela a déconcerté certains des plus grands esprits de l'histoire des sciences.

Mais cela a également des conséquences importantes pour les technologies émergentes telles que l'informatique quantique et la cryptographie quantique. Il se peut même qu'elle soit au cœur d'un domaine scientifique entièrement nouveau qui modifie notre compréhension des causes et des effets.

Aujourd'hui, nous obtenons une réponse à cette question, grâce au travail de Morgan Mitchell de l'Institut des sciences et technologies de Barcelone en Espagne, ainsi qu'à des dizaines de collaborateurs et à plus de 100 000 expérimentateurs du monde entier qui ont réalisé un test unique sur l'un des les prédictions les plus déconcertantes de la théorie quantique.

Leur conclusion est qu'il n'est pas nécessaire d'avoir une explication pour chaque action. Si la volonté humaine est libre, il y a des événements physiques sans causes, disent Mitchell et co. Leur recherche utilise la science factuelle pour relier pour la première fois le concept métaphysique de libre arbitre à la physique fondamentale.

Tout d'abord, un peu de contexte. L'une des caractéristiques curieuses de la mécanique quantique est qu'elle permet à des particules quantiques créées au même point de l'espace et du temps de partager la même existence. Ce lien est connu sous le nom d'enchevêtrement et il reste intact quelle que soit la distance entre ces particules.

La chose étrange à propos de l'intrication est qu'elle relie un point de l'univers à un autre sans couvrir la distance entre les deux. Ainsi une mesure sur l'un influence instantanément l'autre quelle que soit sa distance.

C'est un casse-tête de longue date car il n'y a aucun moyen pour une particule d'influencer l'autre sans envoyer des signaux plus rapides que la lumière, et les physiciens sont à peu près sûrs que ce n'est pas ce qui se passe.

Mais il y a une autre explication potentielle. C'est que les deux particules sont corrélées d'une manière cachée que les physiciens ne comprennent pas encore. Mais s'il était possible de mesurer cette variable cachée, les physiciens verraient comment elle détermine le comportement des deux particules.

Selon cette façon de penser, le comportement quantique est entièrement déterministe et il y a une raison à tout ce qui se passe à l'échelle quantique. Cette variable cachée doit faire partie d'une théorie plus profonde de la réalité.

Cela soulève une question évidente : s'il existe une théorie plus profonde de la réalité, comment pouvons-nous en trouver la preuve ?

Dans les années 1960, John Bell, alors obscur physicien au CERN, s'est intéressé à ce problème. Einstein s'y était battu sans succès dans les années 1930, mais des générations successives de physiciens avaient balayé le problème sous le tapis depuis lors, réticents à accepter l'idée qu'il pourrait y avoir une théorie plus fondamentale que la mécanique quantique.

En revanche, Bell saisit le problème par la peau du cou. Il a montré que si une théorie des variables cachées était la base sur laquelle la mécanique quantique était construite, l'univers se comporterait d'une manière subtilement différente que si la mécanique quantique était la seule base. Et surtout, il a montré comment cette différence pouvait être mesurée.

Le test de Bell mesure les propriétés de deux particules intriquées, essentiellement comment une mesure sur l'une influence l'autre. Si une théorie des variables cachées était vraie, il y aurait un résultat ; si ce n'est pas vrai, un résultat différent.

À la fin des années 1960, le test de Bell dépassait les capacités des physiciens quantiques. Il fallait une source fiable de particules intriquées, ce qui était impossible à produire à l'époque. Et il a fallu de nombreuses mesures pour constituer les preuves statistiques nécessaires pour convaincre les physiciens.

Ce n'est qu'en 1982 que la technologie a suffisamment évolué pour qu'un test Bell soit effectué. Et l'expérience a clairement montré que les théories des variables cachées étaient incompatibles avec les résultats. Le test de Bell a montré que la façon dont une particule intriquée en influençait une autre n'était pas le résultat d'une variable cachée régie par des principes déterministes. En d'autres termes, le processus de cause à effet ne pouvait pas expliquer cette influence.

Ce résultat était si hallucinant et profond que la plupart des physiciens l'ont simplement ignoré. Mais un petit groupe de physiciens quantiques a commencé à l'étudier plus en détail.

Ils craignaient que l'expérience ait une faille importante. Le test de Bell nécessite que certaines mesures soient effectuées avec des paramètres aléatoires. Par exemple, un photon intriqué pourrait être envoyé à travers un filtre polarisant réglé à un angle choisi au hasard.

Le vrai hasard est important car il n'a pas de modèle sous-jacent qui pourrait être déterminé par une théorie des variables cachées. Cependant, si les paramètres du test n'étaient pas aléatoires, mais plutôt influencés par une variable cachée, les résultats seraient nuls et l'expérience invalide.

Mais voici la difficulté. Garantir un vrai hasard est difficile. Les physiciens peuvent calculer des nombres apparemment aléatoires, mais ce processus dépend des lois de la physique et donc de toute théorie des variables cachées, si elle existe. En effet, si une théorie des variables cachées est en opération, alors elle régit l'univers entier et chaque processus en son sein, y compris tout processus déterministe utilisé pour mettre en place l'expérience.

Depuis 1982, les physiciens ont effectué de nombreux tests de Bell. En effet, ils sont devenus une routine dans les laboratoires d'optique quantique et un élément clé des protocoles utilisés dans les technologies émergentes telles que la cryptographie quantique. Chacun de ces tests suggère que la théorie des variables cachées ne peut pas être vraie. Mais en même temps, chaque test pourrait être victime de cette même faille.

Pour Bell, il y avait un moyen potentiel de sortir de cette énigme : utiliser le libre arbitre humain. En principe, le libre arbitre nous permet de choisir n'importe quel cadre pour l'expérience, quel que soit le rôle d'une théorie des variables cachées. Ainsi, le test ultime de Bell impliquerait que des humains choisissent les paramètres de l'expérience pour combler cette échappatoire à la liberté de choix.

C'est plus facile à dire qu'à faire. Un test de Bell typique implique des millions de paires intriquées et des millions de modifications des paramètres expérimentaux sur une période de quelques heures. Mais un seul humain contrôlant ces paramètres ne pourrait pas les modifier plus rapidement qu'environ 3 bits par seconde. De toute évidence, une telle expérience serait irréalisable.

C'est là que Mitchell et ses collègues entrent en jeu. Leur idée était de crowdsourcer l'influence humaine nécessaire. Ainsi, pendant 12 heures, le 30 novembre 2016, ils ont rassemblé 100 000 volontaires - les soi-disant Bellsters - du monde entier pour générer des bits aléatoires qui pourraient ensuite être utilisés pour contrôler les paramètres de 13 tests différents des idées de Bell.

Pour produire suffisamment de données de manière cohérente, Mitchell et co. gamifié le processus de production de bits, donnant aux joueurs des scores et des récompenses pour avoir atteint certains objectifs. Les bits ont ensuite été transmis à un débit constant de 1 000 bits par seconde à des laboratoires du monde entier qui avaient accepté d'effectuer un test Bell de différentes manières, en utilisant des photons comme particules quantiques, des atomes et même des supraconducteurs dans une myriade de combinaisons.

En soi, c'est une réalisation impressionnante. Engager 100 000 volontaires du monde entier pour travailler sur une expérience en même temps en une seule journée est une réalisation importante à tous points de vue. Il sera intéressant de voir comment ce type de capacité de crowdsourcing pourra être utilisé à l'avenir.

Mais l'expérience elle-même est le véritable objectif et les résultats sont sans équivoque. Les 13 expériences ont toutes produit des résultats qui réfutent fortement la possibilité d'une théorie des variables cachées. Et ils comblent l'échappatoire de la liberté de choix dans la mesure du possible. Les résultats montrent empiriquement que l'agence humaine est incompatible avec le déterminisme causal, une question autrefois accessible uniquement par la métaphysique, disent Mitchell et co.

C'est une bonne nouvelle pour les nombreuses technologies quantiques émergentes qui s'appuient sur les tests de Bell, telles que la téléportation quantique et la cryptographie quantique. L'existence d'une théorie des variables cachées impliquerait, par exemple, que la cryptographie quantique pourrait ne pas être parfaitement sécurisée.

Bien sûr, ce test Big Bell n'est pas parfait. Les humains sont régis par les lois de la physique de la même manière que tous les autres objets. En effet, nous sommes simplement des machines complexes, qui ne diffèrent en principe d'aucune autre machine capable de manipuler des cadrans et de modifier des paramètres expérimentaux.

Ainsi, le libre arbitre humain n'a pas de statut particulier dans l'univers, et si la théorie des variables cachées régit l'univers, elle doit également régir notre libre arbitre. Dans ce cas, la volonté humaine ne serait pas libre mais finalement régie par un système déterministe de variables cachées.

Le Big Bell Test ne comble donc pas toutes les lacunes. Mais cela suggère que s'il existe une réalité plus profonde sous la mécanique quantique, elle ne nous sera pas accessible.

Alors qu'en est-il de la question initiale : certains événements physiques n'ont-ils pas de cause ?

Le test Big Bell fournit une réponse, quoique d'une variété conditionnelle. La réponse est la suivante : si les humains ont le libre arbitre, alors certains événements physiques n'ont pas de cause.

Et c'est un tremplin pour un tout nouvel ensemble d'expériences fondamentales sur la nature de la cause et de l'effet. La mécanique quantique - et les tests de Bell en particulier - brouille la distinction entre cause et effet. Les physiciens explorent donc les limites de ces idées pour voir comment elles peuvent être utilisées dans des dispositifs informatiques, des algorithmes de sécurité, etc. Les premiers résultats sont ambigus et prometteurs, même s'il faudra un certain temps avant qu'ils ne se retrouvent dans les applications quotidiennes.

Cela fait 50 ans que Bell a présenté ses idées controversées, mais les tests de Bell sont désormais au cœur de la révolution émergente de la technologie quantique. Il serait sûrement optimiste que de nouveaux progrès seront à venir.

Réf : arxiv.org/abs/1805.04431 : Défier le réalisme local avec des choix humains

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