Les particules quantiques peuvent exister en superposition, ce qui remet en cause le réalisme classique. L'inégalité de Leggett-Garg permet de vérifier ce fait, et des expériences sur les neutrons menées à l'Université technique de Vienne ont confirmé sa violation, ce qui conforte la théorie quantique.
La nature est-elle aussi étrange que le prétend la théorie quantique, ou existe-t-il des explications plus simples ? Les mesures de neutrons le prouvent : elle ne fonctionne pas sans les propriétés étranges de la théorie quantique.
La théorie quantique permet aux particules d'exister dans des états de superposition, défiant ainsi le réalisme classique. L'inégalité de Leggett-Garg permet de tester ce phénomène en comparant le comportement quantique aux attentes classiques. De récentes expériences avec des faisceaux de neutrons à la TU Wien ont confirmé que les particules violent effectivement cette inégalité, renforçant la validité de la théorie quantique par rapport aux explications classiques.
Superposition quantique : les particules peuvent-elles être à deux endroits à la fois ?
Une particule peut-elle se trouver à deux endroits différents en même temps ? En physique quantique, c'est possible : la théorie quantique permet aux objets d'être dans des états différents en même temps, ou plus précisément : dans un état de superposition, combinant différents états observables. Mais est-ce vraiment le cas ? Peut-être que la particule se trouve en fait dans un état très spécifique, à un endroit très précis, mais nous ne le savons pas ?
La question de savoir si le comportement des objets quantiques pourrait être décrit par une théorie simple et plus classique est débattue depuis des décennies. En 1985, une méthode de mesure a été proposée : l’« inégalité de Leggett-Garg ». Toute théorie qui décrit notre monde sans les étranges états de superposition de la théorie quantique doit obéir à cette inégalité. La théorie quantique, en revanche, la viole. Des mesures avec des neutrons testant cette « inégalité de Leggett-Garg » ont maintenant été réalisées pour la première fois à la TU Wien – avec un résultat clair : l’inégalité de Leggett-Garg est violée, les explications classiques ne sont pas possibles, la théorie quantique l’emporte. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Lettres d'examen physique.
Violation d'une inégalité de Leggett-Garg à l'aide de mesures négatives idéales en interférométrie neutronique. Crédit : TU Wien
À la découverte du réalisme physique
Nous partons généralement du principe que chaque objet possède certaines propriétés : une balle se trouve à un certain endroit, elle a une certaine vitesse, peut-être aussi une certaine rotation. Peu importe que nous l'observions ou non. Elle possède ces propriétés de manière tout à fait objective et indépendante de nous. « Cette vision est connue sous le nom de 'réalisme' », explique Stephan Sponar de l'Institut atomique de l'Université technique de Vienne.
Nous savons par expérience que les objets macroscopiques de grande taille doivent obéir à cette règle. Nous savons également que les objets macroscopiques peuvent être observés sans être influencés de manière significative. La mesure ne modifie pas fondamentalement l'état. Ces hypothèses sont collectivement appelées « réalisme macroscopique ».
Théorie quantique et réalisme macroscopique
Cependant, la théorie quantique telle que nous la connaissons aujourd'hui est une théorie qui viole ce réalisme macroscopique. Si différents états sont possibles pour une particule quantique, par exemple différentes positions, vitesses ou valeurs d'énergie, alors n'importe quelle combinaison de ces états est également possible. Du moins tant que cet état n'est pas mesuré. Lors d'une mesure, l'état de superposition est détruit : la mesure force la particule à décider en faveur de l'une des valeurs possibles.
Il n’en demeure pas moins que le monde quantique doit être logiquement lié au monde macroscopique – après tout, les grandes choses sont constituées de petites particules quantiques. En principe, les règles de la théorie quantique devraient s’appliquer à tout.
La question est donc la suivante : est-il possible d’observer des comportements dans des objets « de grande taille » qui ne correspondent pas à notre image intuitive du réalisme macroscopique ? Les objets macroscopiques peuvent-ils aussi montrer des signes clairs de propriétés quantiques ?
Comprendre l'inégalité de Leggett-Garg
En 1985, les physiciens Anthony James Leggett et Anupam Garg ont publié une formule permettant de tester le réalisme macroscopique : l’inégalité de Leggett-Garg. « L’idée qui la sous-tend est similaire à la célèbre inégalité de Bell, pour laquelle le prix Nobel de physique a été décerné en 2022 », explique Elisabeth Kreuzgruber, première auteure de l’article. « Cependant, l’inégalité de Bell porte sur la question de savoir dans quelle mesure le comportement d’une particule est lié à une autre particule intriquée quantique. L’inégalité de Leggett-Garg ne concerne qu’un seul objet et pose la question : comment son état à des moments précis dans le temps est-il lié à l’état du même objet à d’autres moments précis ? »
Des corrélations plus fortes que celles permises par la physique classique
Leggett et Garg ont supposé qu'un objet pouvait être mesuré à trois moments différents, chaque mesure pouvant donner deux résultats différents. Même si nous ne savons absolument pas si l'état de cet objet change ou non au fil du temps, nous pouvons néanmoins analyser statistiquement la corrélation entre les résultats obtenus à différents moments.
Il est possible de démontrer mathématiquement que la force de ces corrélations ne peut jamais dépasser un certain niveau – en supposant que le réalisme macroscopique soit correct. Leggett et Garg ont pu établir une inégalité qui doit toujours être respectée par toute théorie réaliste macroscopique, quels que soient les détails de la théorie.
Si l’objet respecte les règles de la théorie quantique, les corrélations statistiques entre les résultats de mesure aux trois moments différents doivent être nettement plus fortes. Si un objet se trouve effectivement dans des états différents au même moment entre les instants de mesure, cela doit conduire – selon Leggett et Garg – à des corrélations plus fortes entre les trois mesures.
Faisceaux de neutrons : des objets quantiques de la taille d'un centimètre
« Il n’est toutefois pas si simple d’étudier cette question de manière expérimentale », explique Richard Wagner. « Si nous voulons tester le réalisme macroscopique, nous avons besoin d’un objet qui soit macroscopique dans un certain sens, c’est-à-dire dont la taille soit comparable à celle de nos objets habituels du quotidien. » Mais il faut aussi que cet objet ait une chance de présenter des propriétés quantiques.
« Les faisceaux de neutrons tels que nous les utilisons dans un interféromètre à neutrons sont parfaits pour cela », explique Hartmut Lemmel, responsable de l’instrument S18 de l’Institut Laue-Langevin (ILL) de Grenoble, où l’expérience a été menée. Dans l’interféromètre à neutrons, un interféromètre à cristal parfait en silicium qui a été utilisé avec succès pour la première fois à l’Institut atomique de l’Université technique de Vienne au début des années 1970, le faisceau de neutrons incident est divisé en deux faisceaux partiels sur la première plaque de cristal, puis recombiné par une autre pièce de silicium. Il existe donc deux voies différentes par lesquelles les neutrons peuvent se déplacer de la source au détecteur.
« La théorie quantique dit que chaque neutron parcourt les deux chemins en même temps », explique Niels Geerits. « Cependant, les deux faisceaux partiels sont séparés de plusieurs centimètres. Dans un sens, nous avons affaire à un objet quantique qui est énorme selon les normes quantiques. »
Violation de l'inégalité de Leggett-Garg avec les neutrons
Grâce à une combinaison sophistiquée de plusieurs mesures de neutrons, l'équipe de la TU Wien a pu tester l'inégalité de Leggett-Garg. Le résultat est clair : l'inégalité est violée. Les neutrons se comportent d'une manière qui ne peut être expliquée par aucune théorie macroscopiquement réaliste. En fait, ils se déplacent sur deux chemins en même temps, ils se trouvent simultanément à des endroits différents, à quelques centimètres l'un de l'autre. L'idée selon laquelle « le neutron ne se déplace peut-être que sur l'un des deux chemins, nous ne savons simplement pas lequel » est ainsi réfutée.
« Notre expérience le montre : la nature est vraiment aussi étrange que le prétend la théorie quantique », déclare Stephan Sponar. « Quelle que soit la théorie classique et macroscopiquement réaliste que vous élaborez, elle ne pourra jamais expliquer la réalité. Elle ne fonctionne pas sans la physique quantique. »
