De l’évolution de l’interprétation en physique quantique…

Le professeur Nicolas Gisin, directeur du Groupe de physique appliquée de la Faculté des sciences de l'Université de Genève (UNIGE), s'est vu récompensé par le prix Marcel Benoist 2014, la plus haute distinction scientifique en Suisse, en septembre dernier. Pour célébrer cette distinction, l'UNIGE organisait une cérémonie en son honneur le mercredi 29 octobre, à l’Uni Dufour. Le Conseiller fédéral Johann N. Schneider-Ammann, président de la fondation Marcel Benoist, lui a remis le prix, et le lauréat du prix Nobel de physique 2012, Serge Haroche du Collège de France, est revenu sur le parcours exceptionnel de celui qui est reconnu comme l'un des fondateurs de la recherche en cryptographie quantique. En effet, Nicolas Gisin a été l'un des premiers physiciens à comprendre comment transmettre des photons intriqués par des réseaux de fibre optique et à déceler le potentiel considérable de l'application pratique de ce procédé. Cette cérémonie a été l'occasion pour le Nicolas Gisin de présenter ses recherches et de dévoiler ses récents exploits.

Serge Haroche dans son laudatio a situé les travaux de Nicolas Gisin dans le cadre historique très large du développement de la physique quantique. Et en particulier de l’interprétation de cette dernière, qui a considérablement progressé au cours des dernières décennies grâce à des expériences "in vivo", comme celles de Nicolas Gisin, ou celles de Serge Haroche. Celles-ci permettent de mettre en évidence des concepts étranges et peu intuitifs de la mécanique quantique, comme celui de la nature - non-locale - des choses.
Serge Haroche, pour notre plus grande joie, a aimablement accepté que le texte de son laudatio paraisse dans les colonnes des "Communications de la SSP".

Antoine Pochelon et Minh Quang Tran

 

 

Laudatio de Nicolas Gisin, lauréat du prix Marcel Benoist 2014

par Serge Haroche, prix Nobel de Physique 2012, Administrateur du Collège de France, Titulaire de la Chaire de Physique quantique

 

Pour vous parler du récipiendaire du Prix Marcel Benoist 2014, il faut que je commence par dire quelques mots du domaine de recherche auquel il a consacré toute sa vie scientifique, la physique quantique. Le paradoxe de cette physique réside dans le contraste remarquable entre sa puissance extraordinaire et son étrangeté radicale. Tous les physiciens reconnaissent que c’est la plus fructueuse de toutes les théories physiques, celle qui nous a apporté le plus de connaissances sur la nature. Elle nous a donné les clés de la compréhension du monde microscopique et de cette compréhension, sont nées les technologies modernes qui ont révolutionné notre vie au cours du XXème siècle. Il n’existe en effet pratiquement aucun appareil dont nous nous servons aujourd’hui qui ne repose, partiellement ou totalement, sur des lois issues de la théorie quantique. Les lasers, les ordinateurs, les horloges atomiques, le système de navigation GPS, l’imagerie par résonance magnétique, les téléphones portables, parmi bien d’autres objets, exploitent, d’une façon ou d’une autre, des concepts quantiques et auraient été inimaginables par un physicien classique.

Et cependant, malgré son immense pouvoir de description et de prédiction, la physique quantique reste largement contre-intuitive, et son interprétation conduit toujours, près de cent ans après son avènement, à des discussions passionnées entre physiciens. L’étrangeté de cette physique tient aux lois bizarres qui régissent le comportement des atomes et des photons, ces grains dont est constituée la lumière. La première de ces lois est ce qu’on appelle le principe de superposition. Un atome, ou un photon, ou même un objet quantique plus complexe peut se trouver dans plusieurs endroits à la fois, ou encore dans plusieurs états d’énergie différents, comme suspendu entre différentes réalités. Ces superpositions s’évanouissent lorsque l’on cherche, par une mesure, à déterminer la position ou l’état interne du système. Celui-ci se retrouve alors dans un des états, mais il choisit cet état au hasard, de façon aléatoire.

Et il y a plus étrange encore. Si le système est formé de deux parties qui interagissent entre elles, puis se séparent, les parties séparées continuent à constituer un tout, une mesure sur une des parties ayant une répercussion immédiate sur ce qui arrive à l’autre partie. Les résultat des mesures effectuées sur les deux parties sont aléatoires, mais c’est le même hasard que l’on retrouve dans les deux mesures, un peu comme si deux dés, lancés en deux endroits différents, tombaient toujours tous les deux sur le même chiffre, variant aléatoirement d’une réalisation de l’expérience à l’autre. On appelle intrication cette propriété non-locale des systèmes quantiques, propriété qui déplaisait fortement à Einstein, mais qui est une conséquence inéluctable des principes quantiques, tels qu’ils ont été établis dans les années 1920. Superposition, intrication, hasard non-local, voilà les concepts étranges qui font que l’un des fondateurs de la physique quantique, Niels Bohr, a pu dire, de façon un peu provocatrice que « si vous n’êtes pas choqués par la théorie quantique, c’est que vous ne l’avez pas comprise ».

La tension entre ces deux aspects de la théorie quantique, sa puissance prédictive d’une part, et son caractère profondément contre-intuitif d’autre part, s’est manifestée à des degrés divers pendant toute l’histoire de cette physique. Pendant les années où la théorie s’est élaborée, dans les années 1900 à 1930, les lois étranges que les fondateurs de la théorie avaient été conduits à établir ont été testées par ce qu’ils appelaient des expériences de pensée, des expériences virtuelles dans lesquelles ils s’imaginaient manipulant des atomes ou des photons un à un, cherchant par ces expériences à mettre la théorie quantique à l’épreuve de la non-contradiction interne. Ils discutaient avec passion des résultats attendus de ces expériences et de leur interprétation, tout en pensant que celles-ci resteraient à jamais irréalisables. Seuls des systèmes formés d’un grand nombre de particules, électrons, atomes ou photons, étaient alors directement accessibles aux expériences et sur de tels systèmes, les bizarres propriétés quantiques étaient en général voilées, non directement observables. Einstein et d’autres physiciens pouvaient donc admettre que les concepts étranges de cette physique étaient utiles pour comprendre le comportement collectif ou statistique de la matière, mais ils pensaient en même temps que les manifestations directes de ces bizarreries, la non-localité en particulier - restait hypothétique, et qu’une théorie plus complète, corrigeant ou complétant la théorie quantique, pourrait un jour en effacer les aspects contre-intuitifs.

Face à cette situation, la majorité des physiciens prit à partir des années 1930, l’habitude d’utiliser le formalisme quantique pour calculer et prévoir une quantité de phénomènes en physique atomique et nucléaire, en physique des solides et en physique des particules, sans trop chercher à se poser des questions profondes sur les notions de superposition ou d’intrication dont on n’observait pas en général de manifestations directes. Devant les succès de cette approche « calculatoire », les discussions concernant les interprétations furent pour ainsi dire reléguées au second plan. Ce fut, de 1930 à 1980 environ, la période où, face à ceux qui, tels Einstein ou Louis de Broglie, manifestaient leurs doutes ou leur mécontentement devant les bizarreries de cette physique, l’attitude de la plupart des physiciens était de leur dire « tais-toi et calcule ! ». Cet état d’esprit est bien illustré par une anecdote rapportée dans un de ses livres par Steven Weinberg, un des grands physiciens théoriciens de la seconde partie du vingtième siècle. Il se retrouva un jour dans l’ascenseur de son département de physique avec un de ses collègues et un jeune étudiant qu’il avait eu quelques années auparavant dans une de ses classes. Lorsque l’étudiant se fut éloigné, Weinberg demanda à son collègue : « qu’est-devenu ce brillant jeune homme depuis le temps où il suivait mes cours ? » et son collègue lui répondit en haussant les épaules « Oh, il est perdu pour la physique, il s’intéresse à la question de l’interprétation des lois quantiques ».

En rapportant cet échange, dans les années 1980, Weinberg laissait clairement entendre qu’il faisait partie du clan des « tais-toi et calcule ». Lui et ses collègues, théoriciens des particules, avaient utilisé avec un succès éclatant la théorie quantique pour établir ce qu’on appelle le modèle standard qui classe de façon précise toutes les particules élémentaires constituant la matière et leurs interactions. Ils avaient tendance à hausser les épaules quand on leur parlait d’intrication. Ils savaient bien que cela existait théoriquement mais ils ne voyaient pas l’utilité de s’en préoccuper pratiquement. L’une des raisons de cette absence d’intérêt trouve sans doute son explication dans le fait qu’il était, jusque dans les années 1980, impossible de manipuler et de contrôler directement des systèmes quantiques isolés. Dans les expériences d’accélérateurs de particules familières à Steven Weinberg et à ses collègues, on observe bien des particules individuelles, mais on le fait de façon brutale, en les détruisant et en analysant les débris résultant de leurs collisions. L’observation fine de l’intrication quantique nécessite des expériences plus délicates de manipulation de particules quantiques pour ainsi dire « in vivo » par opposition aux expériences d’accélérateurs qui sont plutôt des expériences « post mortem ».

C’est précisément l’avènement de nouvelles méthodes de contrôle et de manipulation de particules quantiques isolées dans les années 1980, rendues possible en particulier par le développement des lasers, qui a complètement changé la perspective de la physique quantique en remettant les questions d’interprétation au premier plan, dans un contexte radicalement nouveau. Il est devenu possible d’observer directement des particules, atomes et photons, et d’agir sur eux pendant une expérience, en observant sur ces systèmes directement les manifestations étranges de la non-localité et du hasard quantique. On réalise ainsi au laboratoire des expériences bien réelles, qui rappellent celles, virtuelles, imaginées naguère par les fondateurs de la théorie quantique. Ces expériences ont définitivement montré l’impossibilité que se réalise le rêve d’Einstein, celui de rétablir une vision classique du monde en faisant disparaître la non-localité que la physique quantique y avait introduit. Nous savons maintenant grâce à de nombreuses expériences que l’étrangeté quantique, la non-localité - est bien une des propriétés fondamentales de la Nature et la question n’est plus de se demander si elle existe, mais plutôt de savoir si elle peut être pratiquement utilisée pour développer des appareils nouveaux, par exemple pour améliorer nos façons de calculer ou de communiquer.

Nicolas Gisin, le lauréat du Prix Marcel Benoist de cette année, a apporté une contribution majeure à ce nouveau domaine de la physique que l’on appelle «l’information quantique». Il ne m’est pas possible de vous parler en détail de tout ce qu’il a apporté à ce domaine de recherches. Cela prendrait beaucoup plus que le temps qui m’est alloué pour cet éloge. Je voudrais évoquer simplement ici certains de ses travaux et souligner ce qui en fait l’originalité et la profondeur. Nicolas Gisin s’est rendu mondialement célèbre par les expériences qu’il a réalisées sur des paires de photons séparés par des dizaines de kilomètres, après s’être propagés dans une fibre optique passant sous le lac Léman et reliant deux villages sur deux de ses rives opposées. Il a démontré l’intrication de ces photons distants, en vérifiant que la statistique de leurs détections ne pouvait s’expliquer par la transmission de proche en proche d’une information entre les deux détecteurs. Techniquement, ces corrélations violent ce qu’on appelle une « inégalité de Bell » qui devrait être respectée pour des corrélations classiques produites par une cause commune. Cette violation, preuve de non-localité, avait déjà été démontrée dans des expériences de paires de photons distants de quelques mètres, mais leur démonstration spectaculaire à de grandes distances a un double intérêt. Elle montre d’une part que la non-localité n’est pas limitée dans l’espace, ce qui est un résultat de grande importance fondamentale, et d’autre part, elle ouvre la voie à des applications pratiques de l’intrication, pour la cryptographie quantique en particulier.

Dans une autre série d’expériences Nicolas Gisin et son équipe ont utilisé l’intrication de deux photons pour téléporter l’état d’un troisième photon à une distance de plus en plus grande, atteignant maintenant plusieurs dizaines de kilomètres, réalisant ici encore un protocole d’information quantique qui n’avait été testé précédemment qu’à de courtes distances. L’état du photon transporté dans cette expérience n’est pas continument passé d’un point à l’autre. Il a disparu au point de départ au moment même où il apparaissait au point d’arrivée. Le fait même qu’il ne s’est à aucun moment trouvé entre les deux points rend impossible toute interception, toute lecture subreptice du message que pouvait transporter ce photon. Une telle expérience de téléportation constitue une démonstration directe de la possibilité d’utiliser l’étrangeté quantique pour communiquer à distance sans risquer d’être espionné, ce qui est le but même de la cryptographie.

Pour que la cryptographie quantique à l’aide de photons devienne vraiment pratique et utilisable dans des communications à grande distance, d’autres développements doivent voir le jour. Il faut mettre au point des répéteurs quantiques permettant de propager de proche en proche une intrication entre photons qui a tendance à se perdre dans des fibres dépassant quelques dizaines de kilomètres de longueur. Il faut également réaliser des mémoires quantiques capables de stocker dans de la matière l’information quantique portée par des photons avant de la recopier sur d’autres photons. Nicolas Gisin et son équipe ont réalisé des prototypes ingénieux de ces dispositifs, appelés à devenir des éléments essentiels de futurs réseaux de télécommunication quantique.

Une des caractéristiques de la téléportation quantique, qui l’oppose par exemple à la transmission classique d’information par une machine de type fax réside dans le fait que l’état de la particule que l’on téléporte est détruit au point de départ, en même temps qu’il apparaît sous forme identique au point d’arrivée. En d’autres termes, cette procédure ne permet pas d’obtenir deux copies de l’état l’original. Ceci exprime une autre propriété fondamentale de la physique quantique, l’impossibilité de cloner exactement l’état inconnu d’une particule sur une autre. Seul un clonage imparfait, à fidélité limitée comme on dit, est possible. Nicolas Gisin et ses élèves ont étudié les propriétés du clonage quantique et ses limites dans une série de très belles expériences qui ont un rapport étroit avec la téléportation.

Bien que l’intrication et la téléportation impliquent une forme de corrélation instantanée à distance, ces corrélations ne permettent pas de communiquer de l’information instantanément, ce qui violerait le principe relativiste de causalité qui exprime qu’aucune information ne peut se transmettre plus vite que la vitesse de la lumière. Nicolas Gisin a montré que l’impossibilité de cloner une particule quantique était nécessaire à la préservation de ce principe de causalité et qu’elle jouait ainsi un rôle essentiel pour permettre à l’étrangeté quantique de ne pas entrer en conflit avec la relativité Einsteinienne. De façon plus générale, Nicolas Gisin a analysé en détail les relations entre téléportation, hasard quantique et transfert d’information et montré qu’il y a bien coexistence non conflictuelle entre la physique quantique et le principe relativiste de causalité.

Je pourrais citer d’autres résultats obtenus par ce physicien extrêmement imaginatif et productif, qui a une liste de publications impressionnante, avec des indices de citation qui reflètent l’influence que ces travaux ont sur toute la communauté de l’information quantique. Mais je préfère insister pour conclure sur la personnalité exceptionnelle de Nicolas Gisin, qui lui confère une place spéciale parmi les scientifiques de son domaine.

En un mot, Nicolas, tu es ce qui est rare chez une même personne, à la fois un ingénieur d’une inventivité exceptionnelle, un théoricien profond, et un vulgarisateur passionné et passionnant de la science, au sens le plus noble du terme. Ingénieur, tu l’es par ta formation et ta carrière atypique qui t’a conduit à travailler dans une compagnie privée de télécommunications avant de revenir dans le giron de l’université. C’est d’ailleurs ton expérience d’ingénieur qui t’a permis de mettre au point tes spectaculaires démonstrations de téléportation utilisant pour la première fois un réseau commercial de fibres optiques pour une expérience de physique fondamentale. C’est encore ton esprit d’ingénieur qui t’a poussé, au début des années 2000, à fonder avec tes collaborateurs et tes élèves, une compagnie start-up, ID Quantique, qui s’est spécialisée avec succès dans la mise au point de dispositifs de communication quantique et de génération de nombres aléatoires.

Théoricien, tu l’es, Nicolas, car tu t’es toujours passionné pour les aspects fondamentaux de la physique quantique et ses liens avec la théorie de l’information. Il y a peu d’exemples dans la communauté de l’information quantique de scientifiques qui comme toi dominent à la fois les problèmes théoriques fondamentaux et les points techniques les plus subtils, leur permettant de réaliser des expériences qui sont des tours de force d’optique et d’électronique. Tu es aussi connu pour la profondeur de tes analyses théoriques de la complexité quantique que tu l’es pour la réalisation de tes expériences spectaculaires.

Tu es enfin un vulgarisateur enthousiaste de la science qui te passionne. Tu es l’auteur d’un livre récent, l’impensable hasard, dont je conseille à tous la lecture. Tu y expliques en termes simples et sans équations ce que sont la non-localité, la téléportation et d’autres phénomènes quantiques mystérieux pour le profane. Avec un enthousiasme communicatif, tu nous fais entrevoir un futur où l’étrangeté quantique pourrait être en quelque sorte domestiquée pour réaliser des choses impossibles à faire avec des dispositifs classiques. Et tu nous affirmes avec l’optimisme qui te caractérise que lorsque ces machines seront des réalités, la logique quantique nous paraîtra moins étrange, que nous en acquerrons une intuition bâtie sur l’expérience et l’utilisation des objets qu’elle nous aura permis d’inventer.

Nicolas Gisin et le Conseillier Fédéral Johann Schneider-Ammann à l'occasion de la remise officielle du prix le 4 septembre 2014.
Photo: B. Devènes, Université de Genève.

Mais surtout, tu nous expliques que au delà de possibles applications, la compréhension du comportement des atomes et des photons est en elle-même un enrichissement puisqu’elle nous donne une vision plus profonde du monde et de la réalité physique. A la question « à quoi servent les expériences sur la non-localité et l’intrication ? » la première réponse que tu donnes, celle que je préfère, est « cela sert à nous faire plaisir en nous faisant mieux comprendre la nature ». On ne peut donner meilleure définition et présenter un meilleur plaidoyer pour la recherche fondamentale. Et que ce plaidoyer vienne d’un chercheur qui a commencé sa carrière comme un ingénieur ne lui en donne que plus de poids.

Par tes travaux et la diffusion que tu as su leur donner auprès d’un vaste public, tu as contribué, cher Nicolas, à changer l’éclairage que l’on porte sur la physique quantique, en illustrant ses notions fondamentales par des belles expériences, simples dans leur principe et extrêmement subtiles dans leurs détails. Ces expériences sont appelées à devenir des classiques – si l’on peut employer ce terme en parlant de physique quantique – au sens qu’elles seront décrites dans les livres de classe comme des exemples éclatants d’illustrations directes des concepts quantiques. Et comme preuve de l’influence de tes travaux et de ceux de tes collègues en information quantique, j’indiquerai simplement que le manuel de physique quantique que vient d’écrire Steven Weinberg, ce représentant éminent de l’école du « tais-toi et calcule », consacre dans ses dernières éditions tout un chapitre à l’information quantique ! Cela était impensable dans les années 1980. Pour tout cela, pour la profondeur de ton travail, pour les promesses d’applications qu’il contient en germe et pour la passion qui t’anime dans la poursuite de la vérité scientifique, tu fais rayonner la science helvétique bien au delà des rives du lac Léman. Le prix Marcel Benoist 2014 ne pouvait être mieux attribué !

 

 

[Publié: Mars 2015]