Alain Aspect, l’intrication quantique et le Prix Nobel de Physique 2022

À l'annonce du Prix Nobel de Physique ce mard 4 octobre 2022, j'ai eu beaucoup d'émotion en apprenant que le physicien français Alain Aspect faisait partie des lauréats. L'annonce de ses deux autres colauréats John F. Clauser et Anton Zeilinger, dont il partage un tiers du prix, a fait aussi le même effet, car ce n'est pas sa nationalité qui est en cause (du reste, les médias français en ont peu parlé, malgré le cocorico français, nous en sommes à un rythme de 1 Nobel de Physique français tous les cinq ans depuis une vingtaine d'années), mais parce qu'une véritable révolution scientifique a été récompensée par le Comité Nobel : l'intrication quantique.

Cela faisait une quarantaine d'années qu'Alain Aspect était nobélisable, ainsi que les deux autres lauréats, et cette nouvelle a fait plaisir aussi à une de ses anciennes collègues, physicienne et ancienne présidente de l'Université Paris-Saclay, l'actuelle Ministre de la Recherche Sylvie Retailleau, qui rappelle à quel point l'Université Paris-Saclay est un pôle d'excellence mondiale (classée 9^e au classement de Shanghai pour la physique). Alain Aspect, professeur de l'Institut d'Optique sur le Plateau de Saclay (à Palaiseau ; chaire d'Augustin Fresnel), professeur associé à l'École Normale Supérieure de Paris-Saclay et à l'École Polytechnique, est à la fois un grand chercheur, passionné par son sujet, et un grand pédagogue.

Son objectif, au début de sa carrière de physicien, était philosophiquement et historiquement très ambitieux : départager par une validation expérimentale qui, de Einstein ou de Bohr, avait raison dans son interprétation de la physique quantique. Pour Einstein, la physique quantique n'était pas satisfaisante par son indétermination et ses probabilités, considérait qu'elle était incomplète et espérait des "variables cachées". Le physicien britannique John Bell a proposé des inégalités théoriques pour imaginer une expérience pouvant confirmer ou infirmer l'existence de ces variables. Et Alain Aspect a voulu la réaliser.

À la matinale de France Inter le lendemain (5 octobre 2022), Alain Aspect, avec son accent sympathique du Sud-Ouest (il est né à Agen il y a 75 ans : il est le cas typique du provincial débarqué à Paris), a rappelé tous les obstacles sur sa route à la journaliste (profane) Léa Salamé : « Quand j'ai démarré cette expérience, en 1974-1975, la plupart des gens pensaient que ça n'avait aucun intérêt de faire ce genre d'expérience. Quand je suis allé voir John Bell pour lui demander ce qu'il pensait de mon expérience, il m'a demandé "est-ce que vous avez un poste stable ? (...) Parce que sinon, je vous déconseille fortement de faire cette expérience, ça nuira à votre carrière" ! ».

John Bell fut présent dans le jury de thèse de doctorat d'Alain Aspect, qu'il a soutenue le 1^er février 1983 (on peut télécharger sa thèse ici). Claude Cohen-Tannoudji (futur Prix Nobel en 1997 avec Steven Chu et William D. Phillips pour le refroidissement d'atomes par laser) et Bernard d'Espagnat furent aussi membres du jury. Paradoxalement, John Bell qui fut l'un des grands contributeurs dans l'histoire de la physique quantique (avec ses inégalités qui datent de 1964), n'a jamais été récompensé par un Prix Nobel, peut-être parce qu'il est mort relativement jeune en 1990, à l'âge de 62 ans, d'un AVC.

La récompense des trois lauréats a du sens dans l'histoire des sciences : « Ce que nous avons démontré, c'est la réfutation d'inégalités. En faisant des mesures, on démontre que des inégalités qui représentaient la vision du monde d'Einstein, nous les violons. Donc, ça ne suit pas cette vision du monde d'Einstein. Alors, il y a eu l'expérience de John Clauser en 1972 qui a été la première, la pionnière. Il y a eu mon expérience de 1982 qui est une expérience beaucoup plus raffinée et qui montre de façon encore beaucoup plus frappante ces propriétés incroyables de la physique quantique, qu'on appelle la non-localité. Et puis Anton Zeilinger, lui, plutôt, il a mis en œuvre cette intrication pour démarrer certaines applications. ».



De quoi s'agit-il concrètement ? J'avais tenté d'expliquer il y a cinq ans l'expérience d'Alain Aspect dans cet article. Pour le grand public, je reprends l'explication d'Alain Aspect lui-même sur France Inter : « Dans le monde classique, si vous avez deux objets qui sont loin l'un de l'autre, ils n'interagissent pas, la propriété de l'ensemble, c'est la somme des propriétés du premier et du second, il n'y a rien de plus. Quand vous avez une paire d'objets intriquée, eh bien, il y a davantage d'informations, si vous voulez, il y a plus de propriétés dans l'ensemble des deux, bien qu'ils soient éloignés et qu'ils n'interagissent pas. Alors, quand vous n'avez que deux, l'augmentation de l'information est limitée, mais si vous en avez trois, quatre, cinq, ça croît exponentiellement. ».

Ce qui est frappant, étrange, curieux, incroyable, et cela a été donc prouvé expérimentalement (et de manière renouvelée et répétée), c'est que deux particules intriquées à l'origine ne se comportent pas de la même manière, même lorsqu'elles sont séparées d'une très grande distance, que deux particules non intriquées. En d'autres termes, lorsqu'elles sont éloignées l'une de l'autre, soit elles ont conservé une "mémoire" de leur liaison d'origine, soit elles ont pu échanger des informations immédiatement, or, cette seconde hypothèse est impossible car cela signifierait que la vitesse de la lumière n'est plus un seuil limite (et remettre en cause ce seuil bouleverserait toute la science actuelle, physique quantique et relativité générale).

C'est donc une avancée de la science historique à laquelle a contribué Alain Aspect avec ses équipes, lui qui a formé des générations de chercheurs, et d'abord ses deux collaborateurs pour son expérience de 1982, Philippe Grangier et Jean Dalibard qui sont devenus de grands physiciens de la physique quantique, ainsi que Gérard Roger avec qui il a conçu et réalisé le dispositif expérimental. Il s'agit de la seconde révolution quantique, et elle a son importance même dans la vie de tous les jours. En effet, ses applications sont très importantes dans l'informatique quantique et aussi dans la cryptographie quantique, avec des générateurs de nombres aléatoires par exemple. Certains (comme Anton Zeilinger) ont imaginé la téléportation quantique qui utiliserait aussi cette propriété absolument inouïe d'intrication quantique.



Alain Aspect n'est pas seulement un physicien passionné par ses sujets, mais aussi par l'histoire des sciences elle-même. Il a relu tous les manuscrits d'Einstein et les commentaires pour des physiciens français avec beaucoup de fascination et même si son expérience a confirmé qu'Einstein avait eu tort, toute sa résistance contre l'interprétation de Copenhague de la physique quantique a été très constructive puisqu'elle a amené de nombreux chercheurs, dont Alain Aspect, à la perfectionner, à la préciser, et finalement, à mieux la décrire. Et au-delà d'enseigner ou d'apporter ses propres pierres à la connaissance, il souhaiterait que la science fasse partie de la culture générale de la société, ce qui n'est pas le cas en constatant avec regret : « Je suis ulcéré de voir certaines célébrités se vanter de ne rien comprendre aux sciences. Car les mêmes ne se vanteront pas de leur ignorance de la littérature ou de la peinture ! » (2005).

Intéressé par les applications de la physique quantique, Alain Aspect a cocréé Pasqal, une start-up qui travaille sur un ordinateur quantique fonctionnant avec des atomes non ionisés refroidis à quelques microkelvins. Ce refroidissement des atomes a été aussi l'un des sujets étudiés très profondément par Alain Aspect à partir de 1985 avec le groupe de refroidissement par laser de Claude Cohen-Tannoudji. Il a réussi à descendre au microkelvin : « Pour atteindre ce résultat, il a fallu mettre l'atome dans un état quantique où chaque atome est présent simultanément à plusieurs endroits, comme le photon dans l'interféromètre. ». Et à partir de 1992-1995, Alain Aspect s'est intéressé aux condensats de Bore-Einstein dont le développement pourrait apporter de nombreuses applications.

D'ailleurs, en 2005, il laissait entrevoir une certaine nostalgie d'avoir abandonné si vite le sujet de l'intrication quantique : « Au départ, les expériences sur l’intrication visaient à trancher un débat conceptuel qui semblait devoir se clore avec nos travaux. Aurais-je quitté si facilement les photons intriqués si j’avais anticipé les développements actuels ? Mais l’aventure des atomes froids était si belle... ». De plus, il ne croit pas, à l'instar de Pierre-Gille de Gennes, à l'intérêt pour un scientifique de rester dans le même domaine trop longtemps, il n'est plus en capacité d'avoir de nouvelles idées originales et le changement lui permet d'apporter son talent sur d'autres sujets, à la manière de Candide. Félicitations, professor Alain Aspect !


Aussi sur le blog.

Sylvain Rakotoarison (05 octobre 2022)
http://www.rakotoarison.eu


Pour aller plus loin :
Portrait assez complet d'Alain Aspect par le Journal du CNRS en 2005.
Télécharger la thèse d'Alain Aspect soutenue le 1^er février 1983.
L'expérience d'Alain Aspect.
Alain Aspect.
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Frank Drake.
Marie Curie.