Depuis son développement il y a 100 ans, la mécanique quantique a révolutionné notre compréhension de la nature, révélant un monde bizarre dans lequel un objet peut agir comme des vagues et des particules, et se comporter différemment selon qu'il est surveillé.
Au cours des dernières décennies, les chercheurs explorant cette dualité onde-particules ont appris à mesurer les «ondes» et la «particules» relatives des objets quantiques, aidant à expliquer comment et quand ils virent entre les comportements en forme d'onde ou en forme de particules.
Maintenant, dans un journal pour Recherche d'examen physiqueles chercheurs du Stevens Institute of Technology rapportent une nouvelle percée importante: une formule simple mais puissante qui décrit la relation mathématique fermée précise entre la « vague » et la « particules » d'un objet quantique.
« La dualité ondulée-particules est la pierre angulaire de la mécanique quantique », explique Xiaofeng Qian, auteur principal du journal et professeur adjoint de physique à Stevens.
« Les chercheurs travaillent à quantifier la dualité onde-particules depuis un demi-siècle, mais il s'agit du premier cadre complet à quantifier pleinement les comportements en forme d'onde et en forme de particules avec des mesures quantitatives optimales qui sont pertinentes au niveau quantique. »
Des recherches antérieures ont montré que l'onde et les particules pouvaient être exprimées comme une inégalité, avec la somme des comportements en forme d'onde d'un objet (tels que les modèles d'interférence visible) et des comportements de type particules (tels que la prévisibilité de son chemin ou de son emplacement) étant égal à ou inférieur à un.
« C'est important, car cela signifie que si un objet est entièrement semblable à une vague, il ne montre aucun comportement de type particule, et vice versa », explique Qian.
Ces modèles étaient cependant incomplets, car ils peuvent décrire des situations dans lesquelles les comportements en forme d'onde et en forme de particules augmentent simultanément – l'opposé de la relation exclusive réelle entre les deux comportements.
Pour y remédier, les auteurs ont introduit une nouvelle variable: la cohérence de l'objet quantique.
« La cohérence est un concept délicat, mais c'est essentiellement une description cachée du potentiel d'interférence en forme d'onde », explique Qian.
« Et la visibilité des mesures conventionnelles représente la quantité d'onde qui peut être extraite. Lorsque nous quantifions et compenons la cohérence, parallèlement aux mesures standard pour l'onde et les particules, nous constatons qu'elles s'ajoutent exactement. »
Cela permet le calcul de l'onde et des particules avec beaucoup plus de précision. En mesurant la cohérence dans un système, en fait, il devient possible de calculer le niveau d'onde et de particules d'un objet quantique – pas simplement comme «moins d'un», mais comme une valeur exacte.
La relation entre l'onde et la particule peut ensuite être tracée comme une courbe élégante sur un graphique – un quartier parfait pour un système parfaitement cohérent et une ellipse plus plate à mesure que le niveau de cohérence diminue.
En plus d'élargir notre compréhension de la physique fondamentale, la percée de l'équipe a des applications potentielles importantes dans des domaines tels que les informations quantiques et l'informatique quantique.
Pour démontrer cela, l'équipe de Qian a appliqué sa théorie à une technique appelée imagerie quantique avec des photons non détectés (QIUP), dans lequel une ouverture d'objet est scannée avec l'un des photons enchevêtrés. Si le photon passe par sans entrave, la cohérence reste élevée; S'il entre en collision avec les murs de l'ouverture, la cohérence tombe brusquement.
En mesurant alors l'onde et les particules du photon de partenaire enchevêtré, l'équipe de Qian pourrait déduire sa cohérence – et ainsi cartographier la forme de l'ouverture.
« Cela montre que l'onde et les particules d'un objet quantique peuvent être utilisées comme ressource en imagerie quantique, et potentiellement de nombreuses autres informations quantiques ou tâches de calcul », explique Qian.
Remarquablement, l'imagerie est restée possible même que les facteurs externes, tels que la température ou les vibrations, ont dégradé la cohérence globale du système quantique. Ces facteurs affectent également à la fois les situations de cohérence élevées (où le photon passe par l'ouverture) et les situations de cohérence faibles (où le photon a un impact sur l'objet numérisé), il reste donc possible de détecter la différence de cohérence entre les deux scénarios.
« L'ellipse est serré, mais nous sommes toujours en mesure d'extraire les informations de l'objet dont nous avons besoin », explique Qian.
Des recherches supplémentaires sont nécessaires, notamment pour déterminer comment la dualité ondulée-particules se déroule dans des scénarios quantiques multiples plus complexes.
« Les mathématiques le rendent simple, mais nous sommes loin d'épuiser l'étrangeté de la mécanique quantique », explique Qian. « Il reste encore beaucoup de frontières à explorer. »
