L'incertitude inhérente à la mécanique quantique a longtemps amené les physiciens à se demander si les observations que nous effectuons au niveau quantique reflètent la réalité – un nouveau test suggère que c'est le cas.
La fonction d'onde d'un objet quantique n'est peut-être pas seulement une construction mathématique
La mécanique quantique reflète-t-elle vraiment la nature dans sa forme la plus vraie, ou s'agit-il simplement de notre façon imprécise de décrire les propriétés étranges du très petit ? Un test célèbre qui peut aider à répondre à cette question a maintenant été testé sur un ordinateur quantique, et il aboutit à une conclusion étonnamment concrète. La mécanique quantique décrit vraiment complètement la réalité, du moins pour les petits appareils quantiques – et les résultats pourraient nous aider à construire des machines quantiques meilleures et plus fiables.
Depuis la découverte de la mécanique quantique il y a plus d’un siècle, sa nature incertaine et probabiliste a troublé les physiciens. Prenons, par exemple, une superposition : une particule habite-t-elle réellement plusieurs endroits à la fois, ou le calcul de sa position nous donne-t-il une gamme de probabilités quant à l'endroit où elle se trouve réellement ? Si c’est le cas, il se peut qu’il y ait une caractéristique de la réalité cachée à la mécanique quantique qui limite notre certitude. Une telle caractéristique serait une « variable cachée », et les théories fondées sur cette idée sont donc appelées théories des variables cachées.
Dans les années 1960, le physicien John Bell a conçu une expérience pour exclure de telles théories. Un test Bell sonde le quantisme en mesurant à quel point les paires distantes de particules quantiques sont liées ou intriquées. Si leurs propriétés quantiques sont maintenues au-dessus d’un certain seuil – si leur intrication est ce que nous appelons non-local, s’étendant sur n’importe quelle distance – alors nous pourrions exclure les théories des variables cachées. Depuis, des tests de Bell ont été tentés pour de nombreux systèmes quantiques, statuant unanimement en faveur de la non-localité inhérente au monde quantique.
En 2012, les physiciens Matthew Pusey, Jonathan Barrett et Terry Rudolph ont proposé un test encore plus approfondi (appelé PBR en leur honneur), qui permettrait aux expérimentateurs de différencier les différentes interprétations d'un système quantique. Il s’agit notamment de la vision ontique, selon laquelle nos mesures d’un système quantique et de sa fonction d’onde – la description mathématique de ses états quantiques – représentent la réalité. Une autre interprétation, appelée vision épistémique, dit que cette fonction d’onde est un mirage et qu’il existe une réalité plus profonde et plus riche en dessous.
En supposant que vous croyez que les systèmes quantiques n'ont pas d'autres caractéristiques secrètes pouvant affecter les systèmes au-delà de la fonction d'onde, alors les mathématiques du PBR montrent que vous devriez toujours avoir une vision ontique des choses – que, aussi étranges qu'ils puissent paraître, les comportements quantiques sont réels. Le test PBR fonctionne en comparant différents éléments quantiques, comme un qubit dans un ordinateur quantique, et en mesurant la fréquence à laquelle ils lisent la même valeur pour certaines propriétés, comme leur spin. Si la vision épistémique était correcte, le nombre de fois où vos qubits lisent la même valeur serait plus élevé que ce que prédit la mécanique quantique, indiquant qu’il se passe autre chose en dessous.
Songqinghao Yang de l'Université de Cambridge et ses collègues ont mis au point un moyen d'effectuer le test PBR sur un ordinateur quantique IBM Heron fonctionnel, et ils ont constaté que pour un petit nombre de qubits, nous pouvons effectivement dire que les systèmes quantiques sont ontiques. Autrement dit, la mécanique quantique semble fonctionner comme nous le pensions, tout comme les tests de Bell l’ont constaté à plusieurs reprises.
Yang et son équipe ont effectué cette vérification en mesurant le résultat global produit par des paires ou des groupes de cinq qubits, tels que des chaînes de 1 et de 0, et ont calculé la fréquence à laquelle ce résultat correspondait à leur prédiction du comportement d'un système quantique, en tenant compte des erreurs naturelles du système.
« Actuellement, tout le matériel quantique est bruyant, et il y a des erreurs sur toutes les opérations, donc si nous ajoutons ce bruit au-dessus du seuil PBR, qu'arriverait-il à notre interprétation (de notre système) ? » dit Yang. « Il s'avère que si vous faites l'expérience à petite échelle, nous pouvons toujours satisfaire au test PBR original et exclure l'interprétation épistémique. » Variables cachées, disparaissez.
Bien qu’ils aient pu le démontrer pour un petit nombre de qubits, ils ont eu du mal à faire de même pour un plus grand nombre de qubits sur la machine IBM à 156 qubits. Le bruit, ou les erreurs, dans le système sont devenus trop importants pour que les chercheurs puissent faire la distinction entre les deux scénarios lors d'un test PBR.
Cela signifie que le test ne peut pas nous dire si le monde est complètement quantique. Il se pourrait qu'à certaines échelles, la vision ontique l'emporte, alors qu'à des échelles plus grandes, nous ne sommes pas en mesure de voir précisément ce que font les effets quantiques.
Pouvoir vérifier le « caractère quantique » d’un ordinateur quantique à l’aide de ce test pourrait être un moyen de confirmer que ces appareils font ce que nous pensons qu’ils font, ainsi que de les rendre plus susceptibles d’afficher un avantage quantique – la capacité d’effectuer une tâche qui prendrait un temps déraisonnable à un ordinateur classique. « Si vous voulez avoir un avantage quantique, vous devez avoir le quantique dans vos ordinateurs quantiques, sinon vous pouvez trouver un algorithme classique équivalent », explique Haomu Yuan, membre de l'équipe de l'Université de Cambridge.
« L'idée d'utiliser le PBR comme référence des performances d'un appareil est intrigante », déclare Matthew Pusey de l'Université de York, au Royaume-Uni, l'un des auteurs originaux du PBR. Mais Pusey est moins sûr que cela nous renseigne sur la réalité. « La principale raison de faire l'expérience, plutôt que de s'appuyer sur la théorie, est si vous pensez que la théorie quantique pourrait être fausse. Mais si la théorie quantique est fausse, quelle question posez-vous ? L'ensemble de la configuration des états ontiques et épistémiques présuppose la théorie quantique. »
Pour vraiment trouver un moyen de réaliser un test PBR qui nous renseignerait sur la réalité, vous devez trouver un moyen de le faire sans présupposer que la théorie quantique est correcte. « Une minorité de personnes croient que la physique quantique va fondamentalement s'effondrer à une certaine échelle mésoscopique », déclare Terry Rudolph de l'Imperial College de Londres, un autre des initiateurs du test PBR. « Bien que cette expérience ne soit probablement pas pertinente pour exclure une telle proposition spécifique – pour être clair, je ne sais pas dans un sens ou dans l'autre ! – tester les caractéristiques fondamentales de la théorie quantique sur des systèmes toujours plus grands nous aide toujours à restreindre l'espace de recherche de théories alternatives. «
Référence: arXiv, DOI : arxiv.org/abs/2510.11213
