La lumière est partout à la fois (personne ne l'a vu)

Le phénomène le plus étrange de la physique quantique, selon lequel une particule emprunte tous les chemins possibles simultanément, a été vérifié de manière plus directe que jamais. Bien que l'idée ne soit pas nouvelle et prédite depuis 78 ans, une équipe de physiciens de l'Université normale de Chine du Sud à Canton affirme avoir fourni la preuve la plus concrète de ce comportement déroutant d'un photon, un grain de lumière. L'étude, bien que saluée pour sa manipulation technique, contient un détail crucial qui modifie la portée de ses conclusions. Les auteurs eux-mêmes oscillent entre des affirmations fortes et une prudence notable, suggérant un écart entre ce que l'expérience mesure réellement et ce qui est interprété. Pour comprendre, comparons avec un GPS. Un GPS calcule de nombreux itinéraires mais votre voiture n'en emprunte qu'un seul. En physique classique, un objet suit une trajectoire unique et prédictible selon les équations de Newton. En physique quantique, c'est différent. L'équation de Schrödinger (années 1920) prédit le comportement des particules. En 1948, Richard Feynman propose une version alternative, l'intégrale de chemin, qui stipule qu'une particule allant d'un point A à un point B emprunte tous les chemins possibles, même les plus absurdes. C'est cette version que l'équipe de Canton a testée. L'intégrale de chemin de Feynman associe une "flèche" à chaque chemin possible, toutes de même longueur mais de directions différentes. La somme de ces flèches, élevée au carré, donne la probabilité que le photon atteigne un endroit donné. Une propriété clé est que ces flèches peuvent s'annuler entre elles, ce qui explique les franges d'interférence observées dans l'expérience des fentes de Young. Contrairement à notre échelle humaine où les chemins non empruntés n'ont aucune influence, pour un photon, tous les chemins, y compris ceux qui s'annulent, déterminent sa destination. Cette idée, bien que contre-intuitive, est une base solide de la mécanique quantique, utilisée dans les manuels et les laboratoires depuis des décennies. Certains physiciens en déduisent que si le calcul nécessite tous les chemins, la nature doit les emprunter tous, menant à des théories sur les univers parallèles. Des figures comme le patron de l'informatique quantique de Google ont même évoqué cette possibilité en présentant la puce quantique Willow en 2024, bien que le consensus scientifique ne soit pas établi. Jusqu'à présent, personne n'avait directement "vu" un photon emprunter tous ces chemins. Si l'on tente d'observer un photon au milieu de sa trajectoire, il est trouvé à un seul endroit, et le phénomène quantique disparaît. La question demeure : que se passe-t-il dans le "tunnel" quand aucune caméra n'est allumée ? L'équipe de Shilangu a cherché à répondre à cette question en testant directement les deux postulats de Feynman : 1. La probabilité d'arrivée est la somme des flèches de tous les chemins, avec leurs annulations. 2. Tous les chemins empruntés par la particule ont le même poids, qu'ils soient directs ou extravagants (dicté par "l'action"). Ils ont envoyé des photons un par un dans un couloir quadrillé de 7,7 cm de long et moins d'un dixième de millimètre de large, divisé en cinq tranches de 15 mm avec 17 positions chacune. Cela représente 17^5, soit 1 419 857 chemins possibles. Ils ont mesuré chaque segment de chemin (un "propagateur") séparément, puis ont multiplié les flèches de ces segments pour obtenir la flèche d'un chemin complet. En additionnant toutes ces flèches et en comparant le résultat à la distribution réelle des photons sur une caméra à l'arrivée, ils ont obtenu un accord d'environ 95 %, confirmant les deux postulats de Feynman. La prouesse technique est remarquable, atteignant une précision de 98,5 % alors que des tentatives précédentes n'atteignaient que 87,6 %. Cela a nécessité une isolation extrême du laboratoire, où la moindre vibration externe pouvait compromettre l'expérience. Cependant, l'expérience ne "voit" pas les 1,4 million de chemins simultanément. Chaque mesure d'un segment implique la détection d'un photon, ce qui le force à être à un seul endroit. Les chemins sont reconstitués par calcul à partir de mesures faites séparément, chaque fois avec un photon "capturé" en bout de segment. Aucun photon n'a été observé en état de "biquité". L'expérience démontre que les calculs de Feynman sont corrects, mais elle ne révèle rien sur le comportement réel du photon lorsqu'il n'est pas observé, car pour le savoir, ils ont dû "allumer toutes les caméras". Les auteurs eux-mêmes s'interrogent : "Ces chemins sont-ils réels ou de simples outils de calcul ?" Dans leur discussion, ils suggèrent que leurs résultats montrent que ces chemins "reflètent un aspect physique de la réalité", mais leur dernière phrase est plus prudente, affirmant que des "méthodes plus fines seront nécessaires pour trancher définitivement". C'est cette dernière phrase qui est la plus juste, mais l'interprétation la plus sensationnelle est souvent celle qui est relayée. Cette étude touche à une question fondamentale de la physique quantique : qu'est-ce qui existe réellement lorsque rien n'est mesuré ? Einstein était obsédé par cette question, se demandant si la Lune n'existait que lorsqu'on la regardait. Pour lui, la réalité existait indépendamment de l'observation. John Bell a montré en 1964 comment trancher ce débat par l'expérience, en prouvant que si le monde fonctionnait comme le pensait Einstein, certaines corrélations entre particules ne pourraient pas dépasser une limite. Les expériences, notamment celles d'Alain Aspect (Prix Nobel 2022), ont clairement franchi cette limite, contredisant la vision d'Einstein d'un monde où tout a des propriétés définies et où aucune influence ne voyage plus vite que la lumière. Cependant, le théorème de Bell repose sur l'hypothèse que les choix des expérimentateurs sont indépendants des particules mesurées. Si l'on renonce à cette hypothèse (le "superdéterminisme"), un monde où la réalité existe indépendamment de l'observation redevient possible, bien que cette idée soit jugée dérangeante par de nombreux physiciens car elle remettrait en question la liberté de choix. L'expérience de Canton ne départage pas les interprétations car toutes prédisent le même résultat final sur la caméra. Pour avancer, il faudrait des expériences où les différentes interprétations prédisent des résultats distincts. Les ordinateurs quantiques pourraient jouer un rôle crucial en maintenant des systèmes de plus en plus complexes dans des états superposés. L'équipe de Canton elle-même envisage d'utiliser sa méthode pour étudier la transition entre le monde quantique et le monde ordinaire. Cette étude est marquante, non seulement par son résultat, mais aussi par le mécanisme de communication scientifique : une phrase enthousiasmante est souvent mise en avant, simplifiée à chaque étape médiatique, jusqu'à déformer le message initial. Il est essentiel de comprendre ce mécanisme pour éviter de subir le flux d'informations et de saisir la véritable portée des découvertes, notamment dans des domaines en évolution rapide comme l'IA.