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Preuve expérimentale : le monde quantique est encore plus étrange qu’on ne le pensait

Par Paul Arnold, Phys.org

Édité par Gaby Clark, relu par Robert Egan

Notes de l’éditeur :

(a) Circuit quantique permettant de réaliser l’opérateur unitaire superposé à l’aide d’un qubit auxiliaire (A) qui, après interaction avec S, est postsélectionné dans l’état |+>. (b) Circuit interférométrique permettant de déterminer Cij correspondant à l’observable Qˆ à l’aide d’un qubit supplémentaire M. (c) (K3)m en fonction de la longitude (ξ) et de la colatitude (η) de kˆ, confirmant la TTB sous des opérateurs unitaires simples. (d) (K3)m en fonction de α et ϕ montrant la violation de la TTB sous des opérateurs unitaires superposés. (e) (K3)m en fonction de α pour différentes valeurs de ϕ montrant explicitement la violation de la TTB. Crédit : Physical Review Letters (2025). DOI : 10.1103/vydp-9qqq

Le monde quantique est réputé pour son étrangeté : une particule peut être à deux endroits simultanément, ses propriétés sont indéfinies jusqu’à leur mesure, et l’acte même de mesurer un système quantique modifie tout. Mais selon une nouvelle étude publiée dans Physical Review Letters, le monde quantique est encore plus étrange qu’on ne le pensait.

Ce qui se passe à l’échelle quantique contraste fortement avec le monde classique (celui que nous observons au quotidien), où les objets possèdent des propriétés définies, qu’on les regarde ou non, et où leur observation ne change pas leur nature. Pour déterminer si un système se comporte de manière classique, les scientifiques utilisent un test mathématique appelé l’inégalité de Leggett-Garg (LGI). Les systèmes classiques respectent toujours la limite LGI, tandis que les systèmes quantiques la violent, prouvant ainsi leur caractère non classique.

Franchir une limite quantique

Mais même dans les systèmes quantiques, cette violation a une limite appelée la borne temporelle de Tsirelson (TTB). Dans cette recherche, des scientifiques ont cherché à déterminer s'il était possible de dépasser la limite TTB et de découvrir des formes encore plus extrêmes d'étrangeté quantique.

Arijit Chatterjee, de l'Institut indien des sciences de l'éducation et de la recherche, et ses collègues ont émis l'hypothèse qu'un nouveau type de mouvement quantique, dans lequel une particule suit simultanément deux ensembles distincts d'instructions de mouvement, pourrait être suffisamment puissant pour dépasser la limite TTB. Ils ont nommé ce phénomène superposition d'unités.

L'équipe a testé son hypothèse dans un appareil RMN (résonance magnétique nucléaire), ce qui leur a permis de contrôler un qubit (l'élément de base de l'information quantique). Dans cette expérience, le qubit était un noyau de carbone au sein d'une molécule. Les chercheurs ont conçu un circuit quantique précis utilisant une particule auxiliaire (un qubit auxiliaire) pour que le qubit suive deux ensembles d'instructions simultanément. Plus précisément, ils ont combiné deux types différents de rotation magnétique sur le qubit.

Résultats et applications

Lorsque le système a évolué sous l'effet de ce nouveau mouvement combiné, les changements ont été immédiats et spectaculaires. Les chercheurs ont mesuré la violation de l'inégalité de Lorentz-Gilbert (LGI) et constaté qu'elle dépassait la limite de temps de transition (TTB), confirmant ainsi un nouveau niveau d'étrangeté quantique.

Au-delà de ce comportement extrême, ils ont découvert que l'intensité de la violation de la LGI augmentait de façon constante avec le degré de mélange des deux mouvements.

« Ce non-macroréalisme accru, quantifié par la violation de la LGI au-delà de la TTB, augmente avec la superposition croissante des unités », ont noté les chercheurs dans leur article.

« De plus, le mouvement superposé protège contre les perturbations environnementales qui affectent habituellement les états quantiques fragiles. Nos unités superposées offrent une robustesse face à ces perturbations environnementales en augmentant considérablement la durée de persistance de la violation de la LGI. »

Ce bruit environnemental, ou décohérence, est l'un des principaux obstacles à la construction XXXXXXX

RESUME

Des preuves expérimentales révèlent que le monde quantique est encore plus étrange qu'on ne le pensait.

Des expériences démontrent qu'un système quantique peut enfreindre la limite temporelle de Tsirelson (TTB) en évoluant sous l'effet d'une superposition d'opérations unitaires distinctes, ce qui conduit à des violations de l'inégalité de Leggett-Garg (LGI) plus importantes que celles observées jusqu'à présent. Ce comportement non classique accru renforce également la résistance à la décohérence, ouvrant la voie à des technologies quantiques plus robustes.

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COMMENTAIRES

Cet article  va surprendre  beaucoup de lecteurs  en leur révélant  les '' faiblesses'' de notre observation précise  

des mécanismes 

du mode a l 'échelle quantique  ...Je précise pour mes élèves  un point impotrtant :

ene borne de Tsirelson est une limite supérieure des corrélations quantiques entre événements distants. Étant donné que la mécanique quantique viole les inégalités de Bell (c'est-à-dire qu'elle ne peut être décrite par une théorie locale à variables cachées), une question naturelle se pose : quelle est l'ampleur de cette violation ? La réponse est précisément la borne de Tsirelson pour l'inégalité de Bell considérée. En général, cette borne est inférieure à celle que l'on obtiendrait en considérant des théories plus générales, uniquement contraintes par l'absence de signalisation (c'est-à-dire qu'elles n'autorisent pas de communication supraluminique), et de nombreuses recherches ont été consacrées à comprendre pourquoi.

Les bornes de Tsirelson portent le nom de Boris S. Tsirelson (ou Cirel'son, selon une autre translittération), auteur de l'article où la première a été établie.

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More information: Arijit Chatterjee et al, Extreme Violations of Leggett-Garg Inequalities for a System Evolving under Superposition of Unitaries, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/vydp-9qqq. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2411.02301

Journal information: Physical Review Letters  , arXiv 

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