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Tout ce que vous devez savoir sur le théorème de Bell

Tout ce que vous devez savoir sur le théorème de Bell

Le théorème de Bell a été conçu par le physicien irlandais John Stewart Bell (1928-1990) afin de vérifier si des particules connectées par un enchevêtrement quantique communiquent des informations plus rapidement que la vitesse de la lumière. Plus précisément, le théorème dit qu'aucune théorie des variables cachées locales ne peut rendre compte de toutes les prédictions de la mécanique quantique. Bell prouve ce théorème par la création d'inégalités de Bell, que l'expérience montre être violées dans les systèmes de physique quantique, prouvant ainsi qu'une idée au cœur des théories de variables cachées locales doit être fausse. La propriété qui subit généralement la chute est la localité - l’idée qu’aucun effet physique ne bouge plus vite que la vitesse de la lumière.

Enchevêtrement quantique

Dans une situation où vous avez deux particules, A et B, qui sont connectées par un enchevêtrement quantique, les propriétés de A et B sont alors corrélées. Par exemple, le spin de A peut être 1/2 et le spin de B peut être de -1/2, ou inversement. La physique quantique nous dit que jusqu’à ce qu’une mesure soit faite, ces particules sont dans une superposition d’états possibles. Le spin de A est à la fois 1/2 et -1/2. (Voir notre article sur l'expérience de pensée de chat de Schroedinger pour en savoir plus. Cet exemple particulier avec les particules A et B est une variante du paradoxe d'Einstein-Podolsky-Rosen, souvent appelé paradoxe de l'EPR.)

Cependant, une fois que vous avez mesuré le spin de A, vous savez avec certitude la valeur de son spin sans avoir à le mesurer directement. (Si A a une rotation de 1/2, alors la rotation de B doit être de -1/2. Si A a une rotation de -1/2, alors la rotation de B doit être de 1/2. Il n'y a pas d'autre alternative.) Le cœur du théorème de Bell est la manière dont cette information est communiquée d'une particule A à une particule B.

Le théorème de Bell au travail

John Stewart Bell avait initialement proposé l'idée du théorème de Bell dans son article de 1964 "Sur le paradoxe d'Einstein Podolsky Rosen". Dans son analyse, il a dérivé des formules appelées les inégalités de Bell, qui sont des déclarations probabilistes sur la fréquence à laquelle le spin de la particule A et de la particule B devrait être corrélé si la probabilité normale (par opposition à l'intrication quantique) fonctionnait. Des expériences de physique quantique violent ces inégalités de Bell, ce qui signifie que l’une de ses hypothèses de base devait être fausse, et il n’y avait que deux hypothèses qui convenaient: la réalité physique ou la localité ne tenait pas.

Pour comprendre ce que cela signifie, revenons à l'expérience décrite ci-dessus. Vous mesurez le spin de la particule A. Il pourrait en résulter deux situations: soit la particule B a immédiatement le spin opposé, soit la particule B est encore dans une superposition d'états.

Si la particule B est affectée immédiatement par la mesure de la particule A, cela signifie que l'hypothèse de localisation est violée. En d'autres termes, en quelque sorte, un "message" est passé instantanément de la particule A à la particule B, même s'ils peuvent être séparés par une grande distance. Cela signifierait que la mécanique quantique affiche la propriété de non-localité.

Si ce "message" instantané (c'est-à-dire la non-localité) n'a pas lieu, la seule autre option est que la particule B se trouve toujours dans une superposition d'états. La mesure du spin de la particule B doit donc être complètement indépendante de la mesure de la particule A, et les inégalités de Bell représentent le pourcentage du temps où les spins de A et B devraient être corrélés dans cette situation.

Les expériences ont montré de manière écrasante que les inégalités de Bell sont violées. L'interprétation la plus courante de ce résultat est que le "message" entre A et B est instantané. (L'alternative serait d'invalider la réalité physique du spin de B.) Par conséquent, la mécanique quantique semble afficher une non-localité.

Remarque: Cette non-localisation en mécanique quantique ne concerne que les informations spécifiques enchevêtrées entre les deux particules - le spin dans l'exemple ci-dessus. La mesure de A ne peut pas être utilisée pour transmettre instantanément une autre information à B à de grandes distances, et personne qui observe B ne sera en mesure de dire indépendamment si A a été mesuré ou non. Dans la grande majorité des interprétations de physiciens respectés, cela ne permet pas une communication plus rapide que la vitesse de la lumière.