Recherche du passé et de l'avenir de la physique quantique sur une petite île

Selon la légende scientifique, Quantum Mechanics est né sur l'île d'Helgoland en 1925. cent ans plus tard, les physiciens débattent toujours de la vraie nature de cette étrange théorie – et sont récemment retournés sur l'île pour discuter de son avenir

Je suis allé à des conférences plus scientifiques que je ne comptent, mais une récente réunion tenue sur l'île d'Helgoland pour célébrer le centenaire de la mécanique quantique est l'une des plus étranges – dans le bon sens.

Cette minuscule île allemande, à peine plus d'un kilomètre de long et loin en mer du Nord, a l'air d'une station balnéaire côtière en bas: la mer moins qu'invitant même en été, les petites rues pleines de boutiques de cadeaux bon marché et l'odeur du poisson et des frites et de la crème glacée. Imaginez maintenant qu'à chaque tour, vous vous lancez en physiciens lauréats du prix Nobel, inventeurs de la théorie de l'information quantique et expérimentateurs à la pointe des technologies quantiques, fraîche de discuter de leur travail à la mairie, à côté du parcours de golf fou. C'est plutôt merveilleux.

La raison pour laquelle nous sommes ici est révélée sur un rocher sur le chemin de la falaise. Il porte une plaque de bronze (voir ci-dessous) qui suggère que c'est là que le physicien Werner Heisenberg, lors d'une excursion pour demander un soulagement de son rhume des foins en 1925, a inventé la mécanique quantique. Malheureusement, ce n'est pas vraiment vrai – au mieux Heisenberg a esquissé des idées ici qui, par la suite, lui et d'autres ont fait une théorie quantique complète. Et la version que nous connaissons davantage aujourd'hui a été dévoilée au début de 1926 par Erwin Schrödinger, qui a introduit la fonction des vagues comme un moyen de prédire l'évolution d'un système quantique.

Tout de même, si vous voulez attribuer un centenaire à la mécanique quantique, c'est l'année évidente à choisir. Et quelle que soit la quantité de l'histoire d'Helgoland, était due à l'auto-mythologisant de Heisenberg – il a écrit le récit de sa percée là-bas seulement des années plus tard – l'île éloignée est un endroit plutôt spécial pour organiser la fête.

Et quelle fête c'est. Il est difficile d'imaginer un casting aussi éminent de physiciens quantiques assemblés. Il y a quatre lauréats du prix Nobel ici: Alain Aspect, David Wineland, Anton Zeilinger et Serge Haroche. Entre eux, ils ont établi la réalité des caractéristiques étranges de la mécanique quantique, comme la façon dont les propriétés d'une particule peuvent sembler instantanément contingentes à ce que nous mesurons pendant une seconde, une particule «enchevêtrée», quelle que soit sa distance. Ils ont également créé certaines des techniques de manipulation de particules quantiques individuelles qui sont maintenant utilisées pour construire des ordinateurs quantiques.

Mais voici la chose. Je soupçonne que ces grands anciens (ish) seraient d'accord avec moi que c'est la jeune génération qui a maintenant le meilleur espoir de donner un sens à ce que signifie vraiment la mécanique quantique, et pour transformer sa nature notoirement contre-intuitive en nouvelles technologies et une nouvelle compréhension de la nature. La mécanique quantique est connue pour admettre de nombreuses interprétations différentes de ce que les mathématiques de la théorie nous disent sur le monde réel, et la plupart de la vieille garde a déjà pris position et semble peu susceptible de changer leurs opinions.

Cette impasse était évidente dans une table ronde le premier soir où l'aspect, Zeilinger et Gilles Brassard, fondateur de la cryptographie quantique de l'Université de Montréal, Canada, prononcé avec une confiance égale sur la signification fondamentale de la mécanique quantique tout en étant en contradiction directe.

Pour être juste envers ces anciens combattants, leurs idées ont été formées face au scepticisme (ou pire) de leurs pairs sur la valeur de même de penser à de telles questions «fondamentales». Ils ont émergé de l'ère de «Shut Up and Calculez» – la phrase inventée par le physicien américain David Mermin pour décrire comment il a été jugé mauvaise de se demander ce que signifiait la mécanique quantique, son devoir étant simplement de résoudre l'équation de Schrödinger. Il n'est pas surprenant qu'ils aient dû cultiver des vues robustes et des peaux épaisses.

Les plus jeunes chercheurs semblent moins enclins à être dogmatiques à propos des fondations quantiques, et peut-être plus prêtes à ramasser et à réprimer différentes interprétations en fonction de leur utilité pour le problème à accomplir. Un peu de nombreux mondes ici, un peu de l'interprétation de Copenhague là-bas, tous comme des outils de réflexion avec plutôt que des déclarations sur la réalité.

La nouvelle génération est également moins sans relâche. Par exemple, Vedika Khemani à l'Université de Stanford, en Californie, a raconté la réunion sur les connexions riches et belles entre les idées en physique de la matière condensée et des informations quantiques, une connexion qui nous retire du stockage des informations sur la bande magnétique dans les années 1950 aux techniques de correction d'erreur essentielles pour le calcul quantique aujourd'hui.

Exploiter la mécanique quantique pour construire de nouvelles technologies est de plus en plus en vogue, mais les théoriciens ne se relâchent pas non plus. Flaminia Giacomini au Federal Institute of Technology de Zurich, en Suisse, était l'un des nombreux orateurs qui pensaient que nous pourrions avoir une image plus claire de ce que signifie la mécanique quantique si nous pouvons le réconcilier avec gravité, en cherchant un mariage de la gravité discrète et granulaire avec le monde lisse et continu requis par la relruction générale, généralement en quantitant la gravité.

Vous avez peut-être pensé que tout consiste à explorer des idées non testables et à peine durables dans la théorie des cordes, une tentative de créer une telle union. Mais la vérité, comme l'a dit Giacomini, est que «nous n'avons aucune preuve expérimentale que nous devons quantifier la gravité» – nous n'avons même pas de raisons empiriques (même s'il y en a beaucoup de théoriques) pourquoi la gravité doit être une force quantique du tout, comme les trois autres forces de la nature le sont clairement.

Ce qui est passionnant, c'est que cela, au moins, est quelque chose que nous pouvons espérer tester dans un avenir proche, par exemple en voyant si nous pouvons enchevêtrement deux objets uniquement par leur interaction gravitationnelle. Le défi ici est que les objets doivent être suffisamment grands pour produire une force gravitationnelle importante, mais suffisamment petite pour montrer un comportement quantique: les nanoparticules de, disons, de la silice ou du diamant peuvent faire l'affaire. Plusieurs orateurs ont exprimé leur confiance que nous relevons ce défi dans une décennie environ.

Pour moi, une révélation clé de la réunion est que tant de volets de théorie quantique et d'expérience sont désormais enchevêtrés. Tirez sur un et vous affectez les autres. Comprendre davantage sur la gravité quantique à partir d'expériences extrêmement sensibles sur les particules piégées et vous pourriez entrer dans le paradoxe d'information du trou noir et émerger avec de nouvelles idées sur la correction d'erreurs pour l'informatique quantique ou une nouvelle idée des états quantiques «topologiques» sinueux.

Il semble que le travail dans l'un de ces domaines puisse même nous aider à comprendre les vieilles questions qui ont troublé Heisenberg et ses collègues: que se passe-t-il lorsque nous faisons une mesure sur une particule quantique, et comment transforme-t-il le quantum en classique? En tout cas, disant qu'un siècle plus tard, nous luttons toujours avec ces vieilles questions est la mauvaise façon de le voir. Nous avons plutôt découvert que la mécanique quantique est beaucoup plus riche, plus utile et plus étonnante que ses fondateurs auraient pu deviner.