L'expérience d'Alain Aspect en physique quantique

« Dans toutes ces expériences, si on ne sait pas être blasé, la première réaction est toujours l’étonnement. Mais ensuite, il y a un deuxième sentiment que j’espère vous avoir fait partager : c’est l’émerveillement devant la subtilité de ces phénomènes, et devant la puissance de cette mécanique quantique qui permet non seulement de les décrire, mais aussi, après quatre-vingts ans de bons et loyaux services, de toujours en découvrir de nouveaux. » (Alain Aspect, à Paris le 17 juin 2002).




C’est ce 15 juin 2018 que le physicien français Alain Aspect a 71 ans. Par les hasards de la chronologie, il est né exactement dix ans après Michèle Cotta et vingt ans après Hugo Pratt. Pour moi, Alain Aspect est un véritable héros national, qui a contribué mille térafois plus au prestige national de la France que les prétendus "patriotes" de pacotille qui profitent du système en ramassant la colère populaire et qui n’ont jamais rien apporté de constructif à la France, mandats électifs après mandats électifs.

Alain Aspect est ce qu’on pourrait appeler un chercheur qui a trouvé, un physicien qui a réussi une brillante carrière, puisqu’il a obtenu jusqu’à la récompense la plus honorable pour un scientifique en France, à savoir la Médaille d’or du CNRS qu’il a reçue le 9 novembre 2005 et d’autres hautes récompenses internationales, comme le Prix Wolf reçu à Tel-Aviv le 13 mai 2010 des mains de Shimon Pérès. Il fait partie régulièrement des "nobélisables", et la France est très bien classée dans ce domaine puisqu’elle obtient un Prix Nobel de Physique en moyenne tous les cinq ans ces dernières décennies.

Normalien, agrégé de physique en 1969 avec un DEA en optique en 1968 (à Paris-Orsay) et une thèse de 3^e cycle soutenue en 1971 à Orsay (sur la spectroscopie par holographie), docteur d’État en 1983 (après avoir passé trois ans en coopération à Yaoundé, au Cameroun, entre 1971 et 1974), professeur à Normale Sup. Cachan, puis Polytechnique, il travailla ensuite dans l’équipe de recherche de Claude Cohen-Tannoudji (Prix Nobel 1997) sur le refroidissement laser des atomes, puis en 1992, il fut nommé directeur de recherches au CNRS à l’Institut d’Optique, à Palaiseau (jusqu’en 2012) et y a créé un groupe d’optique atomique quantique où il travailla sur la rugosité d’une surface à l’échelle du dixième de nanomètre, et sur les condensats de Bose-Einstein. Élu correspondant le 25 avril 1994, il fut élu membre de l’Académie des sciences le 5 novembre 2001 à la section Physique.



Le 10 mai 2012 à Berne, Alain Aspect a été récompensé par la Médaille Albert-Einstein (autres récipiendaires notamment : Stephen Hawking en 1979, Friedrich Traugott Wahlen en 1982, Rudolf Ludwig Mössbauer en 1986, John Wheeler en 1988, Roger Penrose en 1990, Thibault Damour en 1996, Hubert Reeves en 2001, Kip Thorne en 2009, Roy Kerr en 2013, Charles Misner en 2015, etc.).

Le 15 novembre 2013 à Berne, Alain Aspect a aussi reçu le Prix Balzan qui récompense non seulement la science et la culture mais aussi les actions humanitaires (en ce sens, ce n’est pas un prix scientifique en tant que tel), et parmi les autres lauréats, on y trouve notamment Jean XXIII (1962), Mère Térésa (1978), Ernest Labrousse (1979), Jean Piaget (1979), Jorge Luis Borges (1980), Jean-Baptiste Duroselle (1982), Jean-Pierre Serre (1985), René Étiemble (1988), Emmanuel Lévinas (1989), l’Abbé Pierre (1991), György Ligeti (1991), Yves Bonnefoy (1995), Paul Ricœur (1999), Claude Lorius (2001), Jean-Pierre Changeux (2001), Marc Fumaroli (2001), Dominique Schnapper (2002), Xavier Le Pichon (2002), Serge Moscovici (2003), etc.



La carrière d’Alain Aspect est "classique" (néanmoins prestigieuse), mais le sujet de ses travaux est peu "classique" puisqu’il concerne la physique quantique. Il a posé une pierre essentielle à la construction de celle-ci à la fin des années 1970 et au début des années 1980 avec ce qu’on appelle désormais "l’expérience d’Aspect".

Je vais tenter d’exposer rapidement, clairement et le plus simplifié possible de quoi il s’agit. Que les lecteurs puristes et rigoureux me pardonnent donc les raccourcis, les courts-circuits de la pensée, les simplifications honteuses car il s’agit d’une discipline intellectuellement subtile et surtout étonnante, aux équations peu abordables aux "profanes" mais dont l’interprétation concerne, à mon sens, tout citoyen correctement équipé de deux lobes cérébraux s’intéressant à l’épistémologie et plus généralement, à la philosophie.

C’est à cause de cette entrée au cœur de la philosophie moderne que même les "profanes" (finalement, je n’aime pas trop ce mot qui laisse croire que la science est une secte réservée à des "initiés", or personne n’est exclu d’étudier pendant une demi-dizaine d‘années les équations de la physique quantique) ont voulu la comprendre, à l’instar du grand penseur de la complexité qu’est Edgar Morin. Le risque évidemment est qu’elle tombe également entre des mains de charlatans, plus ou moins volontaires, plus ou moins assumés, qui, au mieux, n’ont rien compris et au pire, la manipulent pour vendre leur camelote (le mot "quantique" fait joli dans les brochures ésotériques).

La physique quantique s’est construite pas à pas, d’abord par fragments jusqu’à des essais de théories globalisantes. En très synthétique, on peut dire que deux branches ont révolutionné la physique qui se voulait déterministe de la fin du XIX^e siècle et qui reposait sur la mécanique de Newton et l’électromagnétisme de Maxwell : la physique quantique qui, comme son nom l’indique ("quantum") décrit un environnement discontinu (en énergie) dans l’infiniment petit (celui des particules élémentaires qui sont à la fois onde et corpuscule) et la relativité qui repose sur une notion "osée" de l’espace-temps et de la gravitation dans l’infiniment grand.

Dans ces deux aventures scientifiques de la première moitié du XX^e siiècle, Albert Einstein a été un acteur inégalable. C’est lui qui a proposé la révolution de la relativité (en reprenant des travaux antérieurs, dont ceux d’Henri Poincaré) et qui a contribué de deux manières déterminantes à la rapide construction de la théorie quantique : d’une part, en "découvrant" l’effet photo-électrique (qui lui a valu son Nobel) et d’autre part, en émettant pendant des décennies des critiques très constructives contre les idées de ses collègues "quanticiens".

Le principal front ouvert par Einstein fut paradoxalement philosophique et pas scientifique. Sans être croyant (il se disait athée), Einstein a lâché sa célèbre formule : « Dieu ne joue pas aux dés. ». Histoire de résumer que la tournure probabiliste de la théorie quantique ne le satisfaisait pas du tout.

En effet, en raison de l’indétermination de Heisenberg, la théorie quantique a "décrété" qu’on ne pourrait jamais mesurer précisément à la fois la position et la vitesse d’une particule. Le seul fait de vouloir la mesurer perturberait la réalité. Il s’en est donc suivi que les équations ne pouvaient fournir ces informations que de manière probabiliste. Que l’électron est probablement à cet endroit-ci, mais il pourrait très bien être à cet endroit-là. C’est la notion (compliquée) d’orbitale électronique. Cela révolutionne la pensée scientifique car cela casse tout déterminisme.



Einstein a alors proposé le 25 mars 1935 (dans un article célèbre : "Can quantum-mechanical decription of physical reality be considered complete ?" publié le 15 mai 1935 dans "Physical Review") une expérience de la pensée, le paradoxe EPR. Il y a une incohérence avec les trois éléments suivants : la limite infranchissable de la vitesse de la lumière, l’absence de variable cachée locale (la non-localité), et l’indépendance entre deux particules éloignées. Avec ce paradoxe, il a introduit le concept de particules intriquées.

En travaillant avec d’autres physiciens (Boris Podolsky et Nathan Rosen), Einstein a donc émis une hypothèse, venue d’une intuition, et on sait que ses intuitions ont été parfois très fécondes : si les équations "actuelles" ("actuelles" se réfère à l’époque d’Einstein mais elles n’ont pas beaucoup "bougé" depuis plus de soixante ans) sont obligées d’utiliser des probabilités, c’est parce qu’il "nous" manque (le "nous" se rapporte à l’humanité) des paramètres que nous n’avons pas encore pris en compte. C’est la théorie des "variables locales cachées". Avec des variables supplémentaires, les équations redeviendraient déterministes et tout rentrerait "dans l’ordre". Comme s’il nous manquait un pan de la réalité physique que nous n’aurions pas encore pris en compte. En clair, comme si la théorie quantique "actuelle" était incomplète, que sa forme "actuelle" n’était que transitoire en attendant "mieux".

À cela, la grande majorité des physiciens du temps d’Einstein a répondu selon l’interprétation formulée par l’école de Copenhague. Pourquoi Copenhague ? Parce que ce fut dans cette ville qu’a travaillé probablement le plus grand savant de tous les temps, Niels Bohr. Bohr admettait bien sûr l’insatisfaction d’Einstein mais répliquait que la théorie telle que formulée avec des probabilités avait un intérêt : elle fonctionnait. C’est ainsi qu’on a inventé le laser, l’imagerie par résonance magnétique, les fibres optiques, les transistors, les circuits intégrés, les ordinateurs, etc. L’école de Copenhague est une école d’abord pragmatique. Sans illusion d’ailleurs, car les théories sont toujours un jour ou l’autre remises en cause, dans l’histoire, ou reformulées, affinées, précisées. Ce qui compte, finalement, c’est que le principe d’inséparabilité des particules : des particules intriquées le restent tout le temps, même éloignées, même lorsqu’elles ne sont plus en capacité de communiuer.

Werner Heisenberg a ainsi constaté : « Il est très important de se rendre compte que notre objet a forcément été en contact avec les autres parties du monde, à savoir les conditions expérimentales, l’appareil de mesure, etc., avant l’observation et, au minimum, pendant l’observation. Cela signifie que l’équation du mouvement pour la fonction de probabilité contient maintenant l’influence de l’interaction avec le dispositif de mesure. Cette influence introduit un nouvel élément d’indétermination (…). La transition du "possible" au "réel" lors de la [réduction du paquet d’onde] a lieu pendant l’acte d’observer. » (1971).

Je reformule le débat. D’un côté, il y a Einstein qui dit que si l’on ne connaît pas exactement l’état d’une particule, c’est parce que les moyens de mesures ne le peuvent pas, mais que cet état est déjà déterminé. De l’autre côté, il y a Bohr qui explique que tant qu’on n’a pas mesuré la réalité, cette réalité n’existe pas, l’état de la particule n’est pas déterminé et reste probabiliste.

Le problème avec ce débat intellectuel, c’est qu’il n’y avait pas matière à départager par l’expérience, seule procédure correcte dans la démarche scientifique : émettre une théorie et la valider ou l’invalider par l’expérience (ce n’est pas si évident que cela, nous a dit Karl Popper, mais cela permet au moins d’évacuer toutes les théories fumeuses).



Il n’y avait pas matière à départager jusqu’à ce que le physicien théoricien irlandais John Stewart Bell, également mathématicien (comme d’autres physiciens, par exemple Paul Dirac), a proposé ses (fameuses) inégalités de Bell pour "s’opposer" à l’interprétation de Copenhague dans un article soumis le 4 novembre 1964 à "Physics" ("On the Einstein Podolsky Rosen paradox"). Il s’agit d’un théorème dans le domaine de la théorie des groupes que je me garderai d’exposer ici. Disons seulement que ces inégalités tracent une frontière mesurable entre un comportement classique et un comportement quantique de deux particules dans un état quantique "intriqué", c’est-à-dire "enchevêtré" ou encore "corrélé", ce qui a permis d’envisager de concevoir une expérience qui n’était pas qu’une expérience de la pensée (comme le chat de Schrödinger) mais une véritable expérience matérielle, réelle, palpable, mesurable.

Ce qui est intéressant, c’est que les physiciens qui ont voulu travailler sur ce sujet étaient d’abord motivés par la volonté de donner raison à Einstein. John Bell, par ailleurs, était fasciné par les jumeaux et la capacité qu’ils ont, même éloignés, de réagir pareillement.

Des premières expériences ont été réalisées en 1971 et 1976 par John F. Clauser et Ed Fry sur un schéma proposé par John F. Clauser, Michael Horne, Abner Shimony et Richard Holt le 4 août 1969 ("Proposed experiment to test local hidden-variable theories" publié le 13 octobre 1969 dans "Physical Review Letters"). John F. Clauser était alors un étudiant et en révisant ses cours avant ses examens, il avait découvert, fasciné, la publication de John S. Bell. Embauché pour préparer un doctorat, le thésard, voulant démontrer qu’Einstein avait raison car lui-même ne comprenait rien à la physique quantique, a donc réalisé les premières expériences qui, à son grand étonnement, ont plutôt validé l’interprétation de Copenhague.



J’écris "plutôt" car ce n’était pas avec le schéma idéal de John S. Bell : « Ce dernier avait souligné l’importance d’une expérience dans laquelle on pourrait modifier au dernier moment la grandeur mesurée sur chacune des particules. On interdirait ainsi toute forme de communication directe entre elles, sauf à accepter une interaction plus rapide que la lumière, ce qui est interdit par le postulat de base de la relativité d’Einstein. » (Alain Aspect, le 15 novembre 2013).

Le 2 décembre 1975, Alain Aspect a proposé une méthode expérimentale sophistiquée pour savoir si les inégalités de Bell seraient violées ou pas ("Proposed experiment to test the nonseparability of quantum mechanics" publié le 15 octobre 1976 dans "Physical Review") : « Je proposai en 1975 un schéma expérimental permettant de modifier l’orientation d’un polariseur en quelques milliardièmes de second, afin de répondre à cette exigence. » (15 novembre 2013).



Petite parenthèse sur les dates : un article de 1976 pour répondre à un article de 1935. Il y a exactement le même temps écoulé depuis, entre 1976 et 2017 qu’entre 1935 et 1976. Une quarantaine d’années, cela peut paraître très long, à l’échelle d’une carrière de scientifique, mais à l’échelle de l’histoire des sciences, c’est très court !

Si ces inégalités étaient validées, cela signifierait que la théorie quantique serait incomplète et qu’il faudrait imaginer de la compléter par des variables locales. Si au contraire, elles étaient violées, cela prouverait le principe de non-localité et confirmerait l’interprétation de Copenhague.



Pour son doctorat d’État, encouragé par Olivier Costa de Beauregard et Christian Imbert, Alain Aspect a donc conçu et réalisé les premières expériences de non-séparabilité entre 1976 et 1985. Il fut aidé de deux ingénieurs, Gérard Roger et André Villing, et fut rejoint par deux étudiants, Philippe Grangier et Jean Dalibard.

Les premiers résultats ont été annoncés le 12 juillet 1982 dans "Physical Review Letters" par un article soumis le 30 décembre 1981 par Alain Aspect : "Experimental realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment : a new violation of Bell’s inequalities".

Alain Aspect a raconté par la suite : « Le résultat fut sans appel : la violation indiscutable des inégalités de Bell montra qu’il est impossible d’interpréter le parallélisme des comportements des photons intriqués comme on le fait pour les jumeaux humains, dont les patrimoines génétiques identiques permettent d’expliquer les corrélations entre les caractères physiques comme la couleur des yeux, ou les profils médicaux. Les photons intriqués ne sont pas deux systèmes distincts portant deux copies identiques d’un ensemble de paramètres, dont la connaissance serait suffisante pour expliquer les corrélations. Une paire de photons intriqués doit en fait être considérée comme un système unique, inséparable, décrit par un état quantique global, impossible à factoriser en deux états relatifs à chacun des deux photons. Cette inséparabilité se manifeste même si les deux photons sont très éloignés l’un de l’autre, et même si (…) aucune interaction ne peut se propager entre eux à une vitesse inférieure ou égale à celle de la lumière. » (17 juin 2002).

L’éloignement fut de 10 mètres dans les premières expériences en 1982 mais d’autres expériences ont été refaites avec des fibres optiques avec des distances de plusieurs dizaines de kilomètres !

Étienne Klein a donné une analogie très amoureuse de cette si étrange non-séparabilité des particules intriquées : « Deux cœurs qui ont interagi dans le passé ne peuvent plus être considérés de la même manière que s’ils ne s’étaient jamais rencontrés. Marqués à jamais par leur rencontre, ils forment un tout inséparable. ».

La conséquence est philosophiquement affolante : cela signifie que deux particules intriquées le sont "pour la vie", même si elles ne peuvent plus avoir d’interaction entre elles. Et la déduction logique, ce serait soit abandonner la notion de vitesse limite (celle de la lumière), en imaginant que des signaux auraient pu aller encore plus vite que la lumière pour échanger entre les deux particules, mais cette hypothèse irait à l’encontre de toute la science développée depuis un siècle, soit qu’il existerait dans la matière une préservation d’une information, de son passé historique…

On peut donc comprendre pourquoi une telle théorie, désormais validée par l’expérience, a fasciné de très nombreux scientifiques et même bien au-delà et a pu faire éclore certaines spéculations comme la rétro-causalité.



Mais au-delà de ces réflexions purement intellectuelles ou philosophiques, des applications concrètes ont pu provenir de ces expériences d’Alain Aspect qui considère qu’il a touché du doigt la seconde révolution quantique : « Il semblait donc, comme on le dit parfois un peu trop vite, que ces expériences avaient clos la question en donnant raison à Bohr contre Einstein. Mais le domaine allait rebondir, suite à une remarque d’une fécondité extraordinaire : la violation des inégalités de Bell montre que l’intrication quantique, découverte par Einstein et Schödinger, est un concept tellement révolutionnaire que l’on peut penser à l’utiliser pour résoudre de façon inédite des problèmes hors de portée de nos ordinateurs classiques. Souvenons-nous que le concept de dualité onde-particule, au début du XX^e siècle, avait été à la base de la première révolution quantique, en permettant une compréhension profonde de la structure de la matière, et en conduisant à l’invention du transistor, des circuits imprimés, du laser. ».

En particulier dans le domaine de la cryptographie quantique, on pourrait utiliser les propriétés loufoques de la matière pour assurer la confidentialité des informations : « Toute l’idée est que vous allez envoyer une information à votre partenaire, avec le moyen de vérifier que personne ne l’a scrutée en passant. Si quelqu’un l’a regardée, vous saurez qu’il ne faut pas l’utiliser. Mais dans ce cas, tout n’est pas perdu puisque vous n’envoyez pas l’information elle-même mais une clef. Donc, si la clef a été interceptée, vous ne l’utilisez pas et vous en renvoyez une autre jusqu’à ce qu’une clef arrive sans que personne n’ait pu en faire la copie. Chaque clef ne sert qu’une fois. Donc, le problème est ramené au fait de distribuer des clefs identiques. Mais là, au moment où vous le faites, vous vous assurez que personne ne l’a interceptée. Et si c’est bien le cas, vous pouvez annoncer, sur un canal parfaitement public, comme une radio : Ok, cette clef marche, on peut échanger l’information. C’est là toute l’idée de la cryptographie quantique. Ce n’est pas une technologie inviolable. Mais si elle est violée, vous le savez obligatoirement et vous pouvez y remédier. » (Alain Aspect, sur France Info le 10 mars 2010).

D’autres applications de l’intrication quantique sont possibles, en particulier la téléportation quantique de matière qui semblerait être un domaine en pleine expansion.

Pour comprendre ces expériences d’Alain Aspect sur des particules intriquées, je conseille au lecteur de regarder la troisième partie de la série "La Magie du Cosmos" proposée par le physicien Brian Greene et diffusée sur Arte en novembre 2012 (documentaire issu de son livre au même titre publié en 2004).







C’est pour sa contribution historique dans l’histoire de la physique quantique que j’ai qualifié Alain Aspect au début de cet article de héros national. En fait, il est même un héros mondial, car la science n’a évidemment aucune frontière nationale, et ce serait bien que ceux qui ont l’habitude de dénigrer la richesse de la France puisse de temps en temps se rappeler que la France est avant tout faite de trésors. Et l’expérience d’Aspect en est un très précieux.


Aussi sur le blog.

Sylvain Rakotoarison (15 juin 2017)
http://www.rakotoarison.eu


Pour aller plus loin :
Publications historiques pour comprendre l’expérience d’Alain Aspect (à télécharger).
Série documentaire de Brian Greene "La Magie du Cosmos" (2012).
Palais de la Découverte.
Roger Mari.
Olivier Costa de Beauregard.
Alain Aspect.
Stephen Hawking.
Trofim Lyssenko.
Rosetta, mission remplie !
Le dernier vol des navettes spatiales.
André Brahic.
Evry Schatzman.
Les embryons humains, matériau de recherche ?
Cellules souches, découverte révolutionnaire et éthique.
Ernst Mach.
Darwin vaincu ?
Jean-Marie Pelt.
Karl Popper.
Sigmung Freud.
Emmanuel Levinas.
Hannah Arendt.
Paul Ricœur.
Albert Einstein.
La relativité générale.
Bernard d’Espagnat.
Niels Bohr.
Paul Dirac.
François Jacob.
Maurice Allais.
Luc Montagnier.






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