Il y a quarante ans, un étudiant en physique réalise une expérience audacieuse pour trancher une vieille controverse non résolue entre Albert Einstein et Niels Bohr. Le résultat, éblouissant, démontre sans ambiguité l’existence de l’"intrication quantique". Elle ouvre la porte aux superordinateurs ou à la cryptographie inviolable, que des startups commencent tout juste à explorer.
Sciences et Avenir : Au début des années 1970, vous êtes agrégé de physique et vous vous apprêtez à vous lancer dans une thèse. Que savez-vous alors de la physique quantique ?
Alain Aspect : Pas grand-chose ! J’ai eu une formation très classique à l’Université d’Orsay (aujourd’hui Université Paris-Saclay) et à l’École Normale Supérieure de Cachan (aujourd’hui ENS Paris-Saclay), dans laquelle il y avait très peu de physique quantique. Mais durant mon séjour au Cameroun en tant que coopérant, j’ai eu la chance de lire le livre de Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu et Franck Laloë, qui est un manuel à la fois simple et profond de physique quantique : cela a été une révélation. Je m’en suis nourri tout seul, sans l’influence d’un professeur qui m’aurait peut-être dit que’Einstein s’était trompé.
Quel rôle joue Einstein ?
Il faut revenir aux origines de la physique quantique. On peut les situer vers 1900, au moment où le physicien allemand Max Planck veut comprendre le "rayonnement du corps noir", autrement dit le fait qu’un corps chauffé émet de la lumière. Les théories classiques de la physique ne permettent pas d’interpréter les observations expérimentales. Planck trouve alors un modèle "empirique" : il avance que les échanges d’énergie entre le rayonnement et la matière s’effectuent non pas en continu, mais par paquets. Un paquet, c’est un quantum, une quantité élémentaire d’énergie. Einstein entre en scène en 1905, et va plus loin, en posant l’hypothèse que la lumière elle-même est formée de grains qu’on appellera plus tard photons. Il explique ainsi l’effet photoélectrique, ce qui lui vaudra le prix Nobel de physique en 1921. En 1909, il pose que la lumière a une double nature : elle se comporte à la fois comme une onde et comme un faisceau de particules. C’est une avancée considérable. En 1923 Louis de Broglie généralisera cette propriété au cas des particules matérielles, en faisant l’hypothèse qu’elles se comportent aussi comme des ondes.
Qui sont les autres acteurs de cette nouvelle physique ?
Il y a notamment le physicien danois Niels Bohr [prix Nobel 1922]. En 1913, il propose un modèle de l’atome où les électrons qui l’entourent ont des trajectoire qui ne peuvent prendre que des valeurs précises. Il explique également que l’émission ou l’absorption d’un photon se fait en sautant d’une trajectoire à l’autre. Il rejoint ainsi Einstein. On ne sait pas où il a été chercher ça ! Quand on enseigne la relativité, on peut passer progressivement de la mécanique classique à la relativité. Mais la physique quantique, on ne sait pas y passer progressivement, elle semble venir de nulle part ! C’est une rupture conceptuelle incroyable. Après Heisenberg, Schrödinger et Dirac se chargeront de consolider et de mettre en forme cette théorie quantique dont les premi ères bases avaient été posées par Planck, Einstein, Bohr et de Broglie.
Niels Bohr et Albert Einstein s’engagent alors dans une célèbre controverse...
Il y a quarante ans, un étudiant en physique réalise une expérience audacieuse pour trancher une vieille controverse non résolue entre Albert Einstein et Niels Bohr. Le résultat, éblouissant, démontre sans ambiguité l’existence de l’"intrication quantique". Elle ouvre la porte aux superordinateurs ou à la cryptographie inviolable, que des startups commencent tout juste à explorer.
Sciences et Avenir : Au début des années 1970, vous êtes agrégé de physique et vous vous apprêtez à vous lancer dans une thèse. Que savez-vous alors de la physique quantique ?
Alain Aspect : Pas grand-chose ! J’ai eu une formation très classique à l’Université d’Orsay (aujourd’hui Université Paris-Saclay) et à l’École Normale Supérieure de Cachan (aujourd’hui ENS Paris-Saclay), dans laquelle il y avait très peu de physique quantique. Mais durant mon séjour au Cameroun en tant que coopérant, j’ai eu la chance de lire le livre de Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu et Franck Laloë, qui est un manuel à la fois simple et profond de physique quantique : cela a été une révélation. Je m’en suis nourri tout seul, sans l’influence d’un professeur qui m’aurait peut-être dit que’Einstein s’était trompé.
Quel rôle joue Einstein ?
Il faut revenir aux origines de la physique quantique. On peut les situer vers 1900, au moment où le physicien allemand Max Planck veut comprendre le "rayonnement du corps noir", autrement dit le fait qu’un corps chauffé émet de la lumière. Les théories classiques de la physique ne permettent pas d’interpréter les observations expérimentales. Planck trouve alors un modèle "empirique" : il avance que les échanges d’énergie entre le rayonnement et la matière s’effectuent non pas en continu, mais par paquets. Un paquet, c’est un quantum, une quantité élémentaire d’énergie. Einstein entre en scène en 1905, et va plus loin, en posant l’hypothèse que la lumière elle-même est formée de grains qu’on appellera plus tard photons. Il explique ainsi l’effet photoélectrique, ce qui lui vaudra le prix Nobel de physique en 1921. En 1909, il pose que la lumière a une double nature : elle se comporte à la fois comme une onde et comme un faisceau de particules. C’est une avancée considérable. En 1923 Louis de Broglie généralisera cette propriété au cas des particules matérielles, en faisant l’hypothèse qu’elles se comportent aussi comme des ondes.
Qui sont les autres acteurs de cette nouvelle physique ?
Il y a notamment le physicien danois Niels Bohr [prix Nobel 1922]. En 1913, il propose un modèle de l’atome où les électrons qui l’entourent ont des trajectoire qui ne peuvent prendre que des valeurs précises. Il explique également que l’émission ou l’absorption d’un photon se fait en sautant d’une trajectoire à l’autre. Il rejoint ainsi Einstein. On ne sait pas où il a été chercher ça ! Quand on enseigne la relativité, on peut passer progressivement de la mécanique classique à la relativité. Mais la physique quantique, on ne sait pas y passer progressivement, elle semble venir de nulle part ! C’est une rupture conceptuelle incroyable. Après Heisenberg, Schrödinger et Dirac se chargeront de consolider et de mettre en forme cette théorie quantique dont les premi ères bases avaient été posées par Planck, Einstein, Bohr et de Broglie.
Niels Bohr et Albert Einstein s’engagent alors dans une célèbre controverse...
Oui… Elle porte sur le fait que la mécanique quantique est probabiliste : une mesure sur un électron peut donner plusieurs résultats possibles, on calcule la probabilité de chaque résultat. Einstein ne prétend pas que la physique quantique est fausse, mais il dit qu’il doit exister une théorie sous-jacente plus précise pour décrire les propriétés de chaque objet. Un état quantique ne permet pas de préciser parfaitement à la fois la vitesse et la position d’une particule , qui sont décrites par des lois de probabilité. En utilisant astucieusement le formalisme de la physique quantique, Einstein s’acharne à trouver des situations où vitesse et position sont définies plus précisément que ce que nous disent des lois de probabilité. On cite souvent sa célèbre phrase « Dieu ne joue pas aux dés », qui signifie que si un résultat de mesure est donné par une théorie de façon probabiliste, c’est que la théorie est incomplète, et qu’en fait pour chaque particule vitesse et position sont bien déterminés . Lors des congrès de physique organisés par l’industriel belge Solvay, dont le plus célèbre se déroule en 1927, Bohr réfute les conclusions d’Einstein, de façon convaincante. Mais il faut souligner que ces débats portent à chaque fois sur le comportement de particules quantiques uniques. Comprenant qu’il n’arrivera pas à trouver une faille dans la théorie quantique en restant dans ce cadre, Einstein publie en 1935 avec ses collègues Podolski et Rosen le fameux article "EPR", qui étudie cette fois le comportement de deux particules. Einstein réalise qu’il existe dans le formalisme mathématique de la physique quantique des états "intriqués" de deux particules, avec des propriétés extraordinaires qu’on appellera plus tard la "non-localité" : même si deux photons intriqués sont très éloignés l’un de l’autre, ils continuent à former un tout, qui est plus que la somme de leurs propriétés.
Cela signifie donc que modifier l’état d’un des deux photons, c’est modifier instantanément l’autre ?
Oui, si l’on en reste au formalisme quantique sans le compléter, mais Einstein ne croit pas à la non-localité car il a démontré que rien ne peut aller plus vite que la lumière. Pour lui, il faut donc introduire des paramètres supplémentaires qu’on appelle parfois des variables cachées. Sa démonstration dans le papier EPR est très convaincante, à mon avis, alors que je trouve la réponse de Bohr beaucoup plus vague. C’est donc un combat de titans, mais il ne porte que sur l’interprétation du formalisme. Dès lors, pour la majorité des physiciens, la controverse Einstein-Bohr est purement épistémologique. Elle passe au second plan, alors que la physique quantique permet des progrès extraordinaires dans la compréhension des propriétés mécaniques, électriques, optiques de de la matière. C’est aussi la physique quantique qui permet l’invention et la mise en œuvre d’applications indépendantes de cette controverse : le transistor et le laser, qui sont à la base de notre société de l’information et de la communication. ll faut attendre 1965 pour que le physicien irlandais John Bell démontre que le point de vue d’Einstein est incompatible avec certaines prévisions quantiques, sauf à admettre la non-localité, et qu’une expérience pour le démontrer est possible.
Comment entrez-vous en scène ?
J’étais à la recherche d’un sujet pour ma thèse. Un jeune professeur à l’Institut d’optique, Christian Imbert, me confie alors une série d’articles dont celui de John Bell, publié dans une revue quasi inconnue. La lecture de cet article a été un choc et la perspective de monter une expérience pour trancher une question qui semblait de nature philosophique m’a fasciné. Christian Imbert était très ouvert. Il m’a dit : "va voir John Bell au CERN à Genève où il travaille, et s’il trouve que ça vaut la peine, tu pourras mener l’expérience dans mon laboratoire". Ce qui s’est passé. Mais beaucoup pensaient que cette recherche n’avait aucun intérêt On m’a dit au départ : "tu perds ton temps, on sait que la physique quantique ça marche". Mais j’ai eu la possibilité de donner des séminaires pour expliquer l’intérêt des travaux de Bell et des expériences qui en découlent, et de plus en plus de gens s’y sont intéressés.
Etiez-vous conscient que vous montiez sur les épaules des géants et que votre entreprise était risquée ?
Je ne me suis pas posé cette question… J’adorais ce sujet et on me permettait de le faire. J’étais par ailleurs enseignant à l’Ecole Normale Supérieure de Cachan, ce qui m’assurait un salaire et me permettait de garder les pieds sur Terre. Mon équilibre personnel était assuré. Aujourd’hui, je reste passionné par l’enseignement. Dix ans après ma retraite, je continue à enseigner !
Quel était le principal défi de cette expérience ?
Elle repose sur une source de photons intriqués et deux polariseurs orientables, qui vont permettre aux photons de les traverser ou les bloquer, selon leur état, et des détecteurs. Le problème principal était de disposer d’une source efficace de photons intriqués. Aux Etats-Unis, des chercheurs étaient parvenus, de manière très laborieuse, à produire quelques paires, cela prenait des jours et des jours. J’ai eu la possibilité d’utiliser des lasers, alors en plein développement, pour obtenir une source beaucoup plus petite et intense. Avec deux ingénieurs, j’ai mis cinq ans pour la mettre au point, avant d’être rejoint par deux étudiants qui débutaient une carrière qui allait être brillante : Philippe Grangier et Jean Dalibard !
Quels résultat avez-vous obtenu ?
J’ai commencé par reproduire les premières expériences des chercheurs américains, avec une bien meilleure précision, puis en 1982 j’ai utilisé des polariseurs d’un nouveau type et des commutateurs que j’ai dû construire moi-même. Les deux polariseurs et les détecteurs étaient situés à 12 mètres l’un de l’autre. Pour démontrer sans ambiguïté la non-localité quantique, je changeais l’orientation des polariseurs au dernier moment, afin qu’aucune influence ne puisse affecter l’autre polariseur, sauf à voyager plus vite que la lumière. Cette expérience a finalement montré que deux photons, même éloignés de douze mètres semblent s’influencer à distance de manière instantanée et que la non-localité quantique existe bel et bien. Cette expérience ne sera reproduite par une autre équipe qu’en 1998, en Autriche, tandis qu’en Suisse une équipe montrait que la non-localité survit à une distance de 30 km ! Attention, cela ne signifie pas pour autant qu’on peut transmettre un signal utilisable plus vite que la lumière. La démonstration est subtile, elle met en jeu le caractère probabiliste de la théorie quantique. La boucle est bouclée.
Quelles sont les conséquences de l’intrication quantique ?
La première révolution quantique, c’était la découverte de la dualité onde-particule et ses application. La deuxième, c’est l’intrication, et la manipulation d’objets quantiques individuels que l’on apprend à intriquer : un seul atome, un seul photon ou une paire de photons, un seul ion... Un système intriqué est beaucoup plus riche que la somme des propriétés des particules qui le composent, le gain est exponentiel au vrai sens du terme. Apparaît alors la notion de "bit quantique", les fameux qubits, que l’on peut intriquer pour réaliser un ordinateur quantique, dont les premières idées sont lancées en 1982 par le physicien américain Richard Feynman. Si on avait 100 bits quantiques intriqués, on pourrait y stocker une quantité d’information dont le codage dans un ordinateur classique demanderait un nombre de bits classiques supérieur au nombre de particules de l’Univers entier ! C’est ce qui fait rêver. Mais il faudrait 100 bits quantiques parfaits qu’on est incapable de produire aujourd’hui. On est encore loin de l’ordinateur quantique. Mais il y a des technologies quantiques moins extraordinaires qui sont mises au point dans les laboratoires puis développes commercialement dans des startups françaises du quantique dont plusieurs ont été créées par de mes anciens thésards…
Quelles sont ces autres applications ?
Un exemple intéressant est la cryptographie quantique. Elle fonctionne, même si elle est difficile à mettre en œuvre. Dans la cryptographie classique, la sécurité repose sur le postulat que l’adversaire qui cherche à décoder votre message secret a des ordinateurs ou des théorèmes mathématiques qui ne sont pas supérieurs aux vôtres. En cryptographie quantique, on n’a pas besoin de cette hypothèse, la sécuritié repose sur les lois fondamentales de la physique quantique. Des démonstrations en ont déjà eu lieu notamment en Europe et en Chine. Il y a aussi la métrologie quantique, avec des gyromètres à atomes froids, ou des mesures de champ magnétique à l’échelle nanométrique, qui pourront peut -être trouver des applications médicales.
Y a-t-il de nouveaux défis théoriques pour les physiciens quantiques ?
La compréhension de plus de deux objets quantiques intriqués en présence de perturbations extérieures reste un défi, qui pourrait conduire à des ordinateurs quantiques basés sur des bits quantiques imparfaits. C’est un travail théorique, mathématique, qui mobilise de nombreux chercheurs. La physique quantique est déjà la théorie la plus fructueuse de l’histoire de la physique et elle nous réserve certainement de nouvelles surprises. La deuxième révolution quantique ne fait que commencer.