L'impensable hasard

Le livre de Nicolas Gisin – directeur du département de physique appliquée de l'Université de Genève, présenté comme un pionnier de la téléportation et de l'informatique quantiques – bénéficie d'une préface rédigée par Alain Aspect, grand défricheur de la non-localité, connu mondialement pour ses expériences sur particules intriquées qu'il réalise en 1981 à Orsay. C'est dire si ce livre mérite toute notre attention. le sous-titre est accrocheur : « Non-localité, téléportation et autres merveilles quantiques ».
L'angle d'attaque est à la fois une métaphore et une expérience de pensée visant à démontrer sur un cas particulier la solidité du théorème de Bell, appelé ici « le jeu de Bell ». Cette expérience de pensée utilise un téléphone générateur de « vrai » hasard manipulé par le célèbre duo Alice et Bob, laborantins fictifs et incontournables pour tout ce qui touche à la physique quantique. Nicolas Gisin ne ménage pas sa peine pour nous faire comprendre, petit à petit, ce que l'on entend par corrélations locales et non-locales, « vrai » hasard, inégalités de Bell, communication sans transmission, clonage quantique et intrication quantique.
Muni de ce précieux bagage théorique, convaincu ou non par les tentatives de démonstration du théorème de Bell, le lecteur est mûr pour accepter la description de l'expérience de Bell réalisée par Nicolas Gisin dans la vraie vie. Nicolas et son équipe ont réalisé à Genève en 1997, et pour la première fois hors laboratoire, une expérience expédiant par fibre optique des paires de particules intriquées dans les villages suisses de Bernex et Bellevue, distants de plus de 10 kilomètres à vol d'oiseau. Cette expérience a permis de gagner au jeu de Bell (de pratiquer la téléportation quantique) à grande échelle, mettant ainsi en évidence la non-localité quantique : la même information peut être détectée simultanément en deux points aussi distants que l'on veut, ce qui semble incompatible avec la relativité d'Einstein qui n'autorise aucune transmission d'information à une vitesse supérieure à celle de la lumière !
Nicolas Gisin expose ensuite les applications pratiques de telles expériences : génération de nombres aléatoires quantiques, cryptographie quantique, téléportation quantique, théorie de l'information.
Pour terminer, Nicolas Gisin s'interroge sur les différentes échappatoires possibles contestant la non-localité (telles que la théorie des Multivers). En les recensant, en les réfutant, il montre la solidité de la théorie quantique. Alors, la nature est-elle réellement non locale ? Plus personne n'en doute. le défi à relever est donc aujourd'hui d'intégrer ce concept maintenant bien admis aux théories relativistes. « Nous y travaillons » est la toute dernière phrase (optimiste) du livre.
Un livre tout simplement indispensable pour mieux comprendre les enjeux actuels de la physique fondamentale.

Dans le domaine quantique, seule est connue la probabilité d'un résultat de mesures. Le résultat d'une mesure unique relève du VRAI hasard (qu'il faut bien distinguer des occurrences pseudo-aléatoires). Dans son livre, l'auteur se concentre sur le concept particulier d'intrication, déjà discuté par Einstein et coll. en 1935 et dont les physiciens ne finissent pas de découvrir les conséquences. Une "paire intriquée" est constituée de deux entités quantiques, formant un tout et présentant une corrélation non-locale, quelle que soit la distance qui les sépare. Le test de ce phénomène est basé sur un critère précis: l'inégalité de Bell (1964).

Nicolas Gisin commence par introduire le "jeu de Bell" qui se joue à deux participants. Il est "normalement" possible de gagner au maximum 3 fois sur 4; et si les joueurs gagnent plus souvent, il y a nécessairement une corrélation non-locale. Au bout de nombreuses pages, l'auteur donne la clé de cette propriété extrêmement remarquable. Le MEME (vrai) hasard se manifeste au niveau des DEUX éléments intriqués, cette corrélation n'étant pas basée sur une quelconque communication entre eux: il n'y a donc pas violation des principes de la relativité.

On trouvera page 81 une image simple qui permet d'illustrer ce fait: un événement local dans l'espace des configurations (de dimension 6) peut apparaitre sous la forme de deux "ombres" projetées dans notre espace à 3 dimensions, qui nous semblent distinctes.

Une remarquable expérience, réalisée par l'auteur avec des fibres optiques sur des paires intriquées, est brièvement décrite. Ensuite on passe aux applications potentielles: la téléportation (d'un état quantique), la cryptographie, etc... Le livre se termine par des considérations générales et complexes sur la non-localité, qui ne sont absolument pas intuitives.

En tant que physicien, j'aurais vraiment préféré que le livre démarre sur l'expérience historique d'Alain Aspect (qui a d'ailleurs rédigé la préface); le jeu de Bell m'a semblé assez fastidieux. A vrai dire, d'autres lectures m'ont paru plus éclairantes sur la présentation de l'intrication. Toutefois, mieux que d'autres ouvrages, ce livre insiste sur la relation étroite qui existe entre la corrélation non-locale et le vrai hasard.

Ce livre réussit le tour de force d'allier la rigueur scientifique, la pédagogie et la philosophie. En effet, N.Gisin arrive à faire comprendre l'inégalité de Bell et en quoi son non respect implique l'existence du vrai hasard (sans aucun déterminisme contrairement au jeu de dés) et de la non localité de la nature (mais sans transmission d'informations). Après la lecture de plusieurs ouvrages consacré à ce sujet, j'ai enfin eu l'impression de comprendre. Il décrit également où en sont les derniers fronts de la recherche dans ce domaine (ce passage est d'une lecture ardue). N.Gisin fait également bien sentir les implications du vrai hasard et de la non localité sur ce que devrait être notre vision du monde, et ce qu'elle sera probablement dans plusieurs décennies. En cela, le parallèle avec la conception atomistique de la nature (évidente pour personne à l'origine car non intuitive, mais aujourd'hui admise comme une évidence) et les implications des lois de la gravitation est éclairante ("Comment, lorsqu'on a la tête en bas aux antipodes de la terre, on ne tombe pas !").
Merci à N.Gisin qui sait sortir du monde pointu de son laboratoire pour partager ses connaissances et son enthousiasme.
Et merci à Eric75 de m'avoir aiguillé sur cet ouvrage via Babelio.

La 1ere partie de ce livre m'a emballé : de tous les livres sur la physique quantique que j'avais lus : ou bien tout me paraissait limpide et je ne voyais pas en quoi celle-ci était si révolutionnaire ; ou bien je n'y comprenais rien, et c'était très frustrant. Avec ce livre, j'ai enfin eu l'impression de lever une partie du voile. Et par la même occasion, j'ai saisi en quoi ce domaine de la physique impose un effort intellectuel pour déconstruire puis reposer une à une les planches de sa compréhension, à mesure qu'on y avance pas à pas.

Cette 1ere partie traite donc très clairement des inégalités de Bell, et, prenant le lecteur par la main, elle explique en quoi leur contradiction par la physique quantique remet en question la localité et le déterminisme. Si ce sujet vous intéresse, c'est une très bonne entrée. Entre parenthèses, on aurait aimé savoir ce qu'un Schopenhauer en eut dit, lui qui suivait de près les sciences de son temps, et si cela lui aurait fait revoir sa philosophie.

Le reste de l'ouvrage semble avoir été écrit à la va-vite... presque pour boucler une commande... l'auteur s'en défendant en annonçant d'ailleurs la couleur d'un "si vous ne comprenez rien, ça n'est pas grave" étrange et peu engageant... Or en effet on/je ne comprend(s) plus grand chose et les sujets abordés m'ont d'ailleurs beaucoup moins intéressés (expériences et applications industrielles). Vraiment dommage que l'auteur n'ait pas continué dans la même veine à nous éclairer un peu davantage de ses lumières.