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Chats de Schrödinger & Décohérence quantique

tutorial 29:57 Source ↗ chat de schrödinger superposition quantique décohérence quantique mécanique quantique physique quantique interférences quantiques
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Cette vidéo explore le paradoxe du chat de Schrödinger et explique pourquoi les superpositions quantiques ne sont pas observées à l'échelle macroscopique, en introduisant la décohérence quantique comme le mécanisme clé qui détruit les interférences quantiques par interaction avec l'environnement.

  1. 0:00 Vous avez déjà vu un chat Schrödinger, vous ? Un chat qui serait à la fois mort et vivant ?
  2. 0:06 Moi jamais !
  3. 0:07 Est-ce que ça existe vraiment ? Pourquoi on en parle si on n'en voit jamais ?
  4. 0:12 Eh bien aujourd'hui, on va essayer de comprendre ce mystère.
  5. 0:16 Une des caractéristiques emblématiques de la mécanique quantique, c'est ce qu'on appelle le principe de superposition.
  6. 0:22 Ce principe nous dit qu'un objet quantique peut parfois se trouver dans un état
  7. 0:27 qui est une superposition de plusieurs états classiques.
  8. 0:30 Par exemple, une particule peut se trouver ici, ou là, ou bien dans une superposition des deux possibilités.
  9. 0:38 Le principe de superposition est quelque chose qui choque notre intuition,
  10. 0:42 et on le voit très bien si on essaye de l'appliquer à des objets macroscopiques de notre quotidien.
  11. 0:47 Et on illustre souvent cette difficulté en invoquant le fameux chat de Schrödinger.
  12. 0:53 Le chat de Schrödinger, c'est un chat qui, suite à une expérience tordue,
  13. 0:57 se retrouverait supposément à la fois mort et vivant.
  14. 1:01 Sauf qu'on n'en croise jamais dans la rue, des chats de Schrödinger,
  15. 1:05 et manifestement personne n'a jamais réussi à en fabriquer un.
  16. 1:09 Si effectivement le principe de superposition quantique est correct,
  17. 1:12 pourquoi dans notre vie quotidienne on n'observe jamais rien qui soit dans un état superposé,
  18. 1:18 ni les chats, ni les trombones, ni les cailloux ?
  19. 1:21 Dans cette vidéo, on va se demander pourquoi on ne voit jamais de chat en superposition.
  20. 1:26 Et vous allez voir que la question et la réponse sont plus subtiles qu'il n'y paraît.
  21. 1:31 Et pour cela, on va parler de décohérence quantique et de pourquoi les chats ne font pas d'interférences.
  22. 1:43 Avant d'aller embêter de pauvres chats, revenons d'abord sur la notion de superposition
  23. 1:48 dans le cas de simples particules comme des électrons.
  24. 1:52 Pour prendre un exemple concret, considérons cette propriété des électrons qu'on appelle leur spin.
  25. 1:58 Le spin des électrons, c'est très pratique car il n'a que deux valeurs possibles,
  26. 2:02 qu'on va noter plus 1 et moins 1.
  27. 2:05 On a donc seulement deux cas à considérer, ce qui simplifie pas mal les raisonnements.
  28. 2:09 Et puis ça fait une bonne analogie pour les deux états mort et vivant d'un chat.
  29. 2:14 Mais attention, quand je dis que le spin des électrons n'a que deux valeurs possibles,
  30. 2:18 ça veut dire concrètement que si j'ai des électrons et que je mesure leur spin,
  31. 2:23 le résultat de la mesure ne pourra être que plus 1 ou moins 1.
  32. 2:28 En pratique, si on imagine qu'on dispose d'un appareil qui mesure le spin d'une particule,
  33. 2:32 n'importe quelle particule, quand on y envoie spécifiquement des électrons,
  34. 2:36 on constate que la réponse affichée par l'appareil sera toujours soit plus 1, soit moins 1,
  35. 2:41 mais jamais autre chose.
  36. 2:44 Maintenant, ce qu'affirme le principe de superposition quantique,
  37. 2:47 c'est qu'il est possible d'envisager des électrons qui soient dans une superposition des deux possibilités,
  38. 2:53 à la fois plus 1 et moins 1 en quelque sorte.
  39. 2:56 Pour décrire cette situation, on doit utiliser une notation spéciale
  40. 3:00 pour désigner les différents états possibles de l'électron.
  41. 3:04 L'état de spin plus 1, on va le noter avec ce symbole-là.
  42. 3:07 On écrit plus 1 entre une barre et un crochet.
  43. 3:10 C'est la notation conventionnelle en mécanique quantique.
  44. 3:12 L'état de spin moins 1, on va le désigner avec ce symbole-ci.
  45. 3:16 Et pour décrire un état qui serait une superposition des deux,
  46. 3:20 on va noter ça comme une somme des deux symboles.
  47. 3:22 C'est la façon qu'on utilise en mécanique quantique pour désigner cet état superposé.
  48. 3:27 Mais ce qui est bizarre avec cette notion de superposition, c'est que, je vous l'ai dit tout à l'heure,
  49. 3:32 l'appareil de mesure du spin, lui, répond toujours soit moins 1, soit plus 1.
  50. 3:37 Il pourrait très bien mesurer d'autres valeurs,
  51. 3:39 mais quand un électron le traverse, c'est moins 1 ou plus 1.
  52. 3:42 En particulier, avec des électrons, l'appareil n'affiche jamais 0,
  53. 3:46 et il ne répond jamais non plus « c'est une superposition ».
  54. 3:49 Comment ça se fait ?
  55. 3:51 Eh bien, ce que nous disent les principes de la mécanique quantique,
  56. 3:54 c'est que si on a un électron dans un état qui est une telle superposition des deux possibilités,
  57. 3:59 alors une mesure donnera soit plus 1, soit moins 1, avec 50% de probabilité.
  58. 4:05 Ça veut dire que si on fait la mesure plein de fois sur plein d'électrons
  59. 4:08 qui sont tous dans l'état superposé,
  60. 4:10 eh bien statistiquement, on obtiendra 50% de plus 1 et 50% de moins 1.
  61. 4:16 Un point important ici, c'est que quand on considère des états superposés,
  62. 4:20 on n'est pas obligé de faire une superposition équitable des deux possibilités.
  63. 4:24 On peut de façon générale mettre des proportions dans les états que l'on superpose,
  64. 4:28 comme dans une recette de cuisine.
  65. 4:31 Pour noter ces états, on ajoute simplement des coefficients devant les symboles.
  66. 4:35 Et ces coefficients vont avoir un impact sur les probabilités lors de la mesure.
  67. 4:40 Si le coefficient pour plus 1 est plus élevé que celui pour moins 1, comme ici,
  68. 4:44 eh bien on aura plus de chances de trouver plus 1 lors de la mesure.
  69. 4:47 On en reparlera.
  70. 4:49 Donc si on résume, la mécanique quantique nous dit d'un côté
  71. 4:52 que les objets quantiques peuvent se trouver dans des superpositions d'états classiques,
  72. 4:56 mais de l'autre que quand on fait des expériences,
  73. 4:59 on ne mesure jamais directement ces superpositions.
  74. 5:02 On trouve toujours l'une ou l'autre des possibilités,
  75. 5:05 avec une certaine probabilité qui dépend des proportions dans la superposition.
  76. 5:10 Et en fait, si vous prenez juste ces principes,
  77. 5:13 vous voyez que ça règle la question du Schatzschrödinger.
  78. 5:16 Regarder un chat pour savoir s'il est mort ou vivant, c'est mesurer son état.
  79. 5:20 Et la mécanique quantique nous dit que de toute façon,
  80. 5:23 quand on mesure quelque chose, la réponse est toujours bien déterminée.
  81. 5:26 Donc il n'y a rien d'étonnant à ce que quand on observe un chat,
  82. 5:29 on trouve toujours qu'il est soit mort, soit vivant.
  83. 5:32 Il ne nous apparaît jamais en superposition, et c'est bien normal.
  84. 5:35 Donc il n'y a aucun problème à ne jamais observer de Schatzschrödinger.
  85. 5:39 Bon ben c'est la fin de la vidéo alors.
  86. 5:42 Oui, sauf que là, vous vous dites peut-être qu'il y a une arnaque.
  87. 5:45 La mécanique quantique nous demande d'admettre qu'il puisse y avoir des états superposés,
  88. 5:50 bon, pourquoi pas, mais en même temps, elle nous dit qu'on ne pourra jamais les observer.
  89. 5:55 Qu'est-ce qui nous prouve que cette histoire de superposition,
  90. 5:58 ce n'est pas une vaste entourloupe ?
  91. 6:01 Pourquoi on devrait introduire cette notion totalement contre-intuitive,
  92. 6:04 alors que de toute façon, on ne peut jamais les voir, les superpositions ?
  93. 6:08 Ça se trouve, ça n'existe pas.
  94. 6:10 Qu'est-ce qui nous prouve que cette notion et ce principe de superposition sont pertinents ?
  95. 6:15 Eh bien, ce sont notamment les phénomènes d'interférence.
  96. 6:19 Ce sont eux qui nous poussent à devoir envisager et accepter la notion de superposition quantique.
  97. 6:25 Prenez la fameuse expérience des fentes d'Young,
  98. 6:28 quand on la réalise par exemple avec des électrons.
  99. 6:31 J'en avais parlé dans ma vidéo sur le sujet.
  100. 6:33 Dans cette expérience, on tire des électrons sur un écran percé de deux fentes,
  101. 6:37 et on détecte derrière les points d'impact des électrons qui ont traversé.
  102. 6:41 Cette expérience est fondamentale car ses résultats sont impossibles à expliquer
  103. 6:45 si on suppose que chaque électron passe simplement par l'une ou l'autre des deux fentes.
  104. 6:50 Je vous renvoie à la vidéo pour les détails.
  105. 6:52 Mais ce qu'on constate, c'est que si chaque électron passait seulement par l'une ou l'autre des fentes,
  106. 6:57 on s'attendrait simplement à détecter deux tâches.
  107. 7:01 Or, on voit apparaître progressivement cette figure d'interférence.
  108. 7:05 Et une des façons de l'expliquer, c'est d'imaginer que chaque électron puisse, en quelque sorte,
  109. 7:10 passer par les deux fentes à la fois, comme s'il était dans un état superposé.
  110. 7:15 Notez bien que dans cette expérience, on n'observe jamais un électron qui soit spécifiquement dans un état superposé.
  111. 7:21 On ne voit jamais aucun électron passer par les deux chemins à la fois.
  112. 7:24 C'est juste l'accumulation statistique de tous les résultats qui fait apparaître des interférences,
  113. 7:30 et nous pousse à considérer l'idée de superposition.
  114. 7:34 Si on en revient à notre Schatzschrödinger, si ça existait comme animal,
  115. 7:38 on comprend que jamais on ne s'attendrait à en observer un directement,
  116. 7:42 un qui soit visiblement dans un état superposé.
  117. 7:45 La seule chose qui pourrait éventuellement trahir la nature superposée des Schatzschrödinger,
  118. 7:50 ce serait de pouvoir faire des interférences avec.
  119. 7:53 Alors stop, avant que vous alliez chercher un canon pour balancer des chats sur un mur percé de deux fentes,
  120. 7:58 il faut qu'on précise ce qu'on entend par faire des interférences.
  121. 8:02 Initialement, je vous ai parlé d'électrons dont on allait considérer des états superposés de spin,
  122. 8:07 une superposition de plus 1 et moins 1.
  123. 8:09 Et là, avec les fan de Young, je vous ai parlé d'électrons qui passaient par deux fentes à la fois.
  124. 8:14 Vous avez peut-être noté que ce n'est pas tout à fait le même genre de superposition.
  125. 8:18 Dans mon premier cas, je superpose le spin,
  126. 8:21 mais dans l'expérience des fan de Young, on superpose la position ou la trajectoire des électrons.
  127. 8:26 Donc les fan de Young c'est bien, mais ça ne prouve rien du tout sur l'existence ou pas d'états superposés pour le spin.
  128. 8:32 Pourquoi cette seule expérience nous pousserait à superposer tout et n'importe quoi ?
  129. 8:37 Eh bien, on va voir qu'en fait, la notion d'interférence est quelque chose de très générique,
  130. 8:42 qu'on peut retrouver partout et qui va bien au-delà de l'expérience des fan de Young.
  131. 8:47 Et même avec des systèmes simples comme le spin des électrons,
  132. 8:50 on peut réaliser des interférences qui justifient de devoir parler de superposition.
  133. 8:55 Pour comprendre ça, on va imaginer qu'on est dans un laboratoire à faire des expériences avec des électrons
  134. 9:00 et on va essayer de comprendre ce qui se passe.
  135. 9:03 Imaginez que dans votre labo, vous ayez une machine à produire des électrons à la chaîne comme ça
  136. 9:08 et que cette machine dispose de trois réglages possibles.
  137. 9:11 On peut les sélectionner avec un bouton, il y a un réglage moins 1, un réglage plus 1
  138. 9:16 et un réglage où c'est mystérieusement écrit superposition.
  139. 9:20 Supposons que dans le labo, vous ayez aussi un appareil à mesurer le spin des particules
  140. 9:25 et que vous testiez chacun des trois réglages de la machine
  141. 9:28 en envoyant plein d'électrons et en collectant les valeurs que vous mesurez.
  142. 9:32 Quand la machine à électrons est sur le réglage moins 1,
  143. 9:35 vous remarquez alors que le spin mesuré est toujours moins 1 dans 100% des cas.
  144. 9:40 De même, quand elle est sur plus 1, vous trouvez toujours un spin mesuré plus 1.
  145. 9:44 Bon, jusqu'ici, tout va bien.
  146. 9:46 Et ensuite, quand vous mettez la machine sur le réglage qui s'appelle superposition
  147. 9:50 et que vous faites plein de mesures,
  148. 9:52 vous constatez qu'environ 50% des électrons qui sortent de la machine
  149. 9:56 seront mesurés avec un spin plus 1 et 50% avec un spin moins 1.
  150. 10:01 L'attitude naturelle face à ce résultat, ce serait de dire que manifestement,
  151. 10:05 la machine, quand elle est sur ce réglage, émet des électrons dont environ la moitié
  152. 10:10 ont dès le départ un spin plus 1 et l'autre moitié un spin moins 1.
  153. 10:14 Et si c'était juste ça, on n'aurait pas de superposition,
  154. 10:17 pas d'électrons qui seraient à la fois l'un et l'autre.
  155. 10:19 Non, chaque électron serait juste dès le début soit plus 1, soit moins 1.
  156. 10:23 Techniquement, c'est ce qu'on appelle un mélange statistique.
  157. 10:26 Et avec juste ces résultats-là pour l'expérience,
  158. 10:29 eh bien ça semble complètement plausible comme possibilité.
  159. 10:32 Pourquoi aller parler de superposition, un truc qu'on n'a jamais vu,
  160. 10:35 alors que tout s'explique très bien avec un simple mélange statistique
  161. 10:39 d'électrons qui seraient soit moins 1, soit plus 1.
  162. 10:42 Eh bien imaginez qu'à ce moment-là, le prof de mécanique quantique débarque dans le labo
  163. 10:46 et vous affirme que non, quand on est sur le réglage superposition,
  164. 10:50 ça n'est pas un mélange statistique.
  165. 10:52 Ce sont vraiment des électrons qui sont tous identiques et tous dans un état superposé.
  166. 10:57 Et pour vous en convaincre, il vous propose de faire des interférences avec.
  167. 11:01 Il va alors vous chercher un nouvel appareil,
  168. 11:03 c'est une sorte de cerceau à travers lequel les électrons peuvent passer,
  169. 11:07 et il vous dit que ça s'appelle un interféromètre.
  170. 11:10 Et que c'est grâce à lui qu'on va démontrer qu'on n'a pas affaire
  171. 11:13 à un simple mélange statistique d'électrons moins 1 et plus 1.
  172. 11:17 Alors vous placez l'interféromètre entre la machine et l'appareil de mesure de spin,
  173. 11:22 et vous essayez à nouveau les trois réglages.
  174. 11:25 Quand la machine est sur moins 1, vous constatez qu'après avoir traversé l'interféromètre,
  175. 11:29 le spin mesuré est cette fois soit plus 1, soit moins 1, avec 50% de probabilité.
  176. 11:35 Et pareil quand la machine est réglée sur plus 1, on obtient 50-50 de plus 1 et moins 1.
  177. 11:41 Alors manifestement il se passe quelque chose,
  178. 11:43 on dirait que l'interféromètre modifie le spin des électrons.
  179. 11:47 A priori rien d'extraordinaire dans ces résultats,
  180. 11:50 à première vue on dirait simplement qu'il leur affecte un spin aléatoire.
  181. 11:54 Ça n'aurait rien d'incongru.
  182. 11:56 Mais pour l'instant n'essayons pas de deviner ce que ferait vraiment l'interféromètre,
  183. 11:59 poursuivons d'abord l'expérience.
  184. 12:02 Vous mettez ensuite la machine sur le réglage qui s'appelle superposition.
  185. 12:05 Et alors là, surprise, en sortie de l'interféromètre,
  186. 12:08 cette fois 100% des électrons ont un spin plus 1.
  187. 12:12 Pas une seule fois on obtient moins 1.
  188. 12:14 Incroyable non ?
  189. 12:15 Réfléchissez bien, c'est impossible à expliquer en supposant qu'on ait un simple mélange statistique.
  190. 12:20 Si la machine sortait moitié d'électrons plus 1 et moitié d'électrons moins 1,
  191. 12:24 on s'attendrait à avoir 50-50 aussi en sortie d'interféromètre
  192. 12:28 puisque c'est ce qui se passe à la fois avec les électrons plus 1 et les électrons moins 1.
  193. 12:32 Je vous laisse y réfléchir si vous n'êtes pas convaincu.
  194. 12:35 Je répète, quand la machine produit des électrons moins 1,
  195. 12:38 on mesure 50-50 après l'interféromètre.
  196. 12:41 Quand ce sont des plus 1, ça fait aussi du 50-50.
  197. 12:44 Donc si on avait un mélange statistique de moins 1 et de plus 1,
  198. 12:47 on devrait aussi avoir du 50-50.
  199. 12:50 Mais là, on a 100% de spin plus 1.
  200. 12:53 Ça n'a aucun sens.
  201. 12:54 Même sans comprendre exactement ce que fait ce mystérieux interféromètre.
  202. 12:57 Ce résultat d'expérience est impossible à expliquer
  203. 13:00 en supposant que chaque électron soit initialement
  204. 13:03 soit simplement dans l'un, soit simplement dans l'autre état de spin.
  205. 13:06 Manifestement, quand on est sur le réglage superposition,
  206. 13:10 la machine ne fait pas un simple mélange statistique.
  207. 13:13 Et on est ici dans une situation
  208. 13:15 qui est en fait assez analogue à celle des Fandung
  209. 13:18 où on ne pouvait pas expliquer le résultat qu'on obtenait
  210. 13:21 en supposant que chaque électron passe
  211. 13:23 soit par l'une, soit par l'autre des deux fentes.
  212. 13:26 Ici, c'est pareil.
  213. 13:27 Le résultat est incompatible avec l'idée d'un mélange statistique.
  214. 13:30 Manifestement, il se passe un truc plus compliqué.
  215. 13:32 Ce que je viens de vous décrire ici, ça n'est pas une expérience imaginaire.
  216. 13:35 On peut faire des expériences de ce genre dans un labo
  217. 13:38 avec différents types de particules et de propriétés.
  218. 13:41 Et ces expériences, on les appelle aussi des expériences d'interférence.
  219. 13:45 Pour comprendre ce qui se passe exactement,
  220. 13:47 je vais vous expliquer ce que fait ce mystérieux interféromètre
  221. 13:50 et la façon dont il modifie les propriétés des électrons.
  222. 13:54 Et pour ça, on va utiliser le formalisme de la mécanique quantique
  223. 13:57 que je vous ai déjà introduit au début.
  224. 14:00 Alors voici ce qui se passe.
  225. 14:01 Quand un électron est initialement dans l'état plus 1,
  226. 14:04 l'interféromètre va le transformer pour le mettre dans l'état superposé
  227. 14:08 plus 1 plus moins 1.
  228. 14:10 Et une fois qu'il est dans cet état, quand on mesure son spin,
  229. 14:13 naturellement, on trouve plus 1 ou moins 1 à une chance sur deux.
  230. 14:17 Maintenant, quand un électron est initialement dans l'état moins 1,
  231. 14:20 l'interféromètre va cette fois le mettre dans l'état superposé
  232. 14:24 plus 1 moins moins 1.
  233. 14:26 Alors, petite pause ici.
  234. 14:28 Ce signe moins vous surprend peut-être, mais il est en fait tout à fait légal.
  235. 14:32 On l'a dit, en mécanique quantique, quand on fait des superpositions,
  236. 14:35 on peut mettre des coefficients devant les états qu'on superpose.
  237. 14:39 Et ces coefficients peuvent en fait très bien être négatifs.
  238. 14:43 En réalité, ça peut même être des nombres complexes,
  239. 14:45 mais enfin, passons pour le moment.
  240. 14:47 Alors là, vous vous dites peut-être, comment est-ce qu'on calcule
  241. 14:49 les probabilités des deux possibilités ?
  242. 14:52 Quand on a un signe moins, est-ce qu'il y a une probabilité négative ?
  243. 14:55 Ben non, ça ne voudrait rien dire.
  244. 14:57 En fait, le signe ne pose pas de problème,
  245. 14:59 car dans le formalisme de la mécanique quantique,
  246. 15:01 pour estimer les probabilités de mesurer l'une ou l'autre des possibilités,
  247. 15:05 on ne regarde pas les coefficients eux-mêmes, mais leurs carrés.
  248. 15:09 Ah oui, désolé, c'est un peu technique, mais c'est important.
  249. 15:11 Dans une superposition, les proportions respectives des mesures qu'on peut obtenir
  250. 15:16 sont données par les carrés des coefficients.
  251. 15:19 Donc reprenons, quand l'électron est initialement dans l'état moins 1,
  252. 15:22 l'interféromètre le met dans l'état plus 1 moins moins 1,
  253. 15:26 et j'applique la règle en prenant le carré 1.
  254. 15:29 Le coefficient moins 1 ou plus 1, c'est pareil,
  255. 15:31 et donc si on mesure le spin d'un électron dans cet état,
  256. 15:34 on aura là aussi 50% de chance de mesurer plus 1 et 50% de chance de mesurer moins 1.
  257. 15:40 Pour l'instant, ce formalisme explique exactement les résultats qu'on a obtenus.
  258. 15:44 Bien, maintenant que se passe-t-il quand on envoie dans l'interféromètre
  259. 15:47 un électron qui serait initialement dans un état superposé, plus 1, plus moins 1 ?
  260. 15:53 Eh bien, il y a un principe en mécanique quantique qui dit que les transformations sont linéaires.
  261. 15:58 Ça veut dire que pour savoir ce qu'il arrive à un état superposé,
  262. 16:01 on a le droit d'additionner les résultats des deux situations prises séparément.
  263. 16:06 Alors allons-y, j'additionne les deux cas précédents,
  264. 16:09 et ça fait deux fois l'état plus 1.
  265. 16:12 Les états moins 1 se compensent et disparaissent.
  266. 16:15 Ça nous donne donc la réponse à notre question.
  267. 16:18 Une fois passé dans l'interféromètre,
  268. 16:19 l'état superposé est devenu un état purement plus 1.
  269. 16:23 Le coefficient 2 ici n'a pas d'importance.
  270. 16:25 Ce qui compte, c'est qu'on n'a maintenant que du plus 1.
  271. 16:28 Donc le résultat de la mesure sera toujours plus 1, dans 100% des cas.
  272. 16:33 Et ça, c'est bien ce qu'on a obtenu dans notre expérience
  273. 16:35 et qui semblait impossible à justifier avec un simple mélange statistique.
  274. 16:39 Et vous voyez que le formalisme des superpositions explique complètement ce qui se passe.
  275. 16:43 Les états purs moins 1 et plus 1 sont transformés de sorte qu'on obtient ensuite 50-50 quand on mesure,
  276. 16:49 mais l'état superposé est transformé de façon à donner uniquement plus 1.
  277. 16:54 Et ce qu'on a là est vraiment un phénomène d'interférence.
  278. 16:57 On le voit car les deux composantes de l'état superposé sont affectées par l'interféromètre,
  279. 17:02 mais dans le résultat final, comme les termes de l'état moins 1 se neutralisent,
  280. 17:06 et bien seul l'état plus 1 ressort.
  281. 17:09 Bien sûr, on aurait pu imaginer un interféromètre différent, par exemple,
  282. 17:12 qui réalise l'opération inverse.
  283. 17:14 On récupérerait uniquement moins 1.
  284. 17:16 Et il y a encore plein d'autres façons de faire des interférences.
  285. 17:18 Je vous en ai juste montré une.
  286. 17:20 Dans tous les cas, vous voyez que le fait d'obtenir ce genre de résultats expérimentaux
  287. 17:24 montre qu'on n'a pas affaire à un simple mélange statistique,
  288. 17:28 mais à quelque chose de plus complexe,
  289. 17:30 quelque chose qui s'explique très bien avec une notion d'état superposé.
  290. 17:34 Ce que ça illustre, c'est que dès qu'on a un système qui est prétendument dans un état superposé,
  291. 17:40 on peut se convaincre que c'est bien le cas en lui appliquant une transformation réalisant des interférences.
  292. 17:46 Si c'est bien une superposition,
  293. 17:48 on le verra car le résultat des interférences sera différent de celui d'un mélange statistique.
  294. 17:54 A nouveau, je répète ce point important,
  295. 17:56 ce genre d'expérience ne prouve pas qu'un électron en particulier soit dans un état superposé,
  296. 18:01 mais ça fait apparaître les interférences quand on accumule les résultats de façon statistique.
  297. 18:07 Imaginons qu'on ait une machine à fabriquer des chats Schrödinger,
  298. 18:10 disons celles imaginées par Schrödinger,
  299. 18:12 avec une boîte, une fiole de poison, un marteau et un atome en désintégration.
  300. 18:17 Quand on regarde dans la boîte, on mesure l'état du chat,
  301. 18:21 et chaque chat nous apparaîtrait toujours individuellement, soit mort, soit vivant.
  302. 18:26 Mais on pourrait en principe révéler la superposition en ayant plein de boîtes avec des chats
  303. 18:31 et en faisant des interférences avant d'ouvrir les boîtes.
  304. 18:35 Allons-y, fabriquons un interféromètre à chats.
  305. 18:39 Alors oui, mais le hic c'est justement qu'on n'a jamais réussi.
  306. 18:43 Les expériences d'interférences qu'on arrive à faire avec des objets suffisamment petits comme des particules,
  307. 18:48 on n'arrive jamais à les faire avec des objets macroscopiques.
  308. 18:52 Mais pourquoi ? Pourquoi le monde macroscopique à notre échelle serait si différent du monde microscopique ?
  309. 18:58 Où est la limite entre les deux ?
  310. 19:00 Ce qui explique que les interférences disparaissent dans le monde macroscopique,
  311. 19:04 c'est un phénomène très important qu'on appelle la décohérence quantique,
  312. 19:08 et dont on va parler enfin.
  313. 19:15 L'idée de base de la décohérence paraît relativement simple.
  314. 19:18 Elle nous dit qu'en principe, il n'y a pas de problème à faire des interférences avec des objets macroscopiques,
  315. 19:24 mais qu'en pratique, ces interférences sont toujours détruites à cause des interactions avec l'environnement.
  316. 19:31 Ce qu'on appelle l'environnement ici, c'est tout ce qu'il y a autour de notre dispositif.
  317. 19:35 Tout à l'heure, quand j'ai décrit les interférences avec les électrons,
  318. 19:38 j'ai supposé qu'il n'y avait rien d'autre qui allait venir perturber mon expérience.
  319. 19:42 Mais dans la vraie vie, les objets sur lesquels on travaille ne sont jamais totalement isolés.
  320. 19:47 On est dans un bâtiment, il y a tous les appareils autour, il y a l'air ambiant.
  321. 19:51 Même si on fait l'expérience dans une boîte sous vide, il y a toujours des atomes qui traînent,
  322. 19:55 du rayonnement électromagnétique qui se balade, etc.
  323. 19:58 Et ce que nous dit la théorie de la décohérence, c'est que toutes ces interactions parasites
  324. 20:03 tendent à détruire les interférences et nous empêchent donc de les mettre en évidence.
  325. 20:08 Et ce d'autant plus que les objets sont gros, composés de plein de particules,
  326. 20:12 et donc susceptibles de se faire perturber.
  327. 20:15 Alors, juste dit comme ça, c'est une idée intéressante, mais on n'a absolument rien justifié.
  328. 20:20 Ça veut dire quoi détruire les interférences ? Pourquoi ça se passerait comme ça ?
  329. 20:24 Est-ce que ça demande de postuler de nouveaux principes ?
  330. 20:27 Eh bien non, justement ce qui est beau, c'est que la décohérence n'est pas vraiment une nouvelle théorie.
  331. 20:32 C'est juste une application des principes de la mécanique quantique.
  332. 20:36 La décohérence découle de la mécanique quantique, elle en est une conséquence.
  333. 20:40 Pour vous le montrer, je vais vous en donner une illustration simple dans un cas très particulier,
  334. 20:46 avec nos électrons superposés et notre interféromètre de tout à l'heure.
  335. 20:50 Reprenons l'expérience, je rappelle ce que je disais.
  336. 20:52 On a l'interféromètre dont on a compris comment il agit.
  337. 20:55 Il transforme l'état plus 1 en plus 1 plus moins 1, l'état moins 1 en plus 1 moins moins 1,
  338. 21:01 et donc l'état superposé plus 1 plus moins 1 se transforme en 2 plus 1,
  339. 21:06 ce qui est un phénomène d'interférence.
  340. 21:08 Et donc si la machine émet bien des électrons dans un état superposé plutôt qu'un mélange statistique,
  341. 21:13 on peut s'en rendre compte dans les résultats.
  342. 21:16 Maintenant, supposez qu'il y ait une particule parasite
  343. 21:19 qui se trouve à proximité sur le chemin entre la machine et l'interféromètre.
  344. 21:24 Et supposons que cette particule puisse interagir avec notre électron quand il passe.
  345. 21:28 Alors en vrai, si on voulait vraiment modéliser une situation de décohérence,
  346. 21:32 on ne prendrait pas une seule particule parasite, on en prendrait plein.
  347. 21:36 Mais pour faire simple, on va n'en prendre qu'une seule.
  348. 21:39 Cette particule parasite, on va supposer que c'est aussi une particule
  349. 21:43 qui peut être dans une superposition de deux états.
  350. 21:46 Imaginons que cette particule puisse être dans un état A, un état B,
  351. 21:50 ou n'importe quelle superposition des deux.
  352. 21:52 Maintenant, il nous faut expliquer comment cette particule va interagir avec notre électron.
  353. 21:57 Et on va supposer un truc assez simple qui a l'air plutôt innocent.
  354. 22:00 On imagine que la particule parasite est initialement dans un état inconnu,
  355. 22:04 mais qu'au voisinage de l'électron, elle subisse son influence.
  356. 22:08 Si l'électron est dans l'état moins 1, elle se met dans l'état A.
  357. 22:12 Et si l'électron est dans l'état plus 1, elle se met dans l'état B.
  358. 22:16 Simple hein ? Elle ne change rien à l'électron,
  359. 22:18 elle se contente de se faire influencer par lui.
  360. 22:21 Bien, imaginons maintenant que l'électron soit initialement dans l'état superposé
  361. 22:25 quand il sort de la machine.
  362. 22:26 Que se passe-t-il pour la particule parasite ?
  363. 22:29 Eh bien, si on veut traiter ça correctement au niveau quantique,
  364. 22:32 il faut bien faire attention à considérer l'ensemble des deux particules.
  365. 22:36 C'est un peu subtil, mais allons-y.
  366. 22:39 Si on décrit les deux particules ensemble, classiquement,
  367. 22:42 il faudrait considérer quatre possibilités.
  368. 22:44 L'électron peut être mesuré dans l'état plus 1 ou moins 1,
  369. 22:47 et la particule parasite peut être mesurée dans l'état A ou B.
  370. 22:50 Et donc ça fait quatre combinaisons possibles pour les deux résultats.
  371. 22:54 Moins 1 est A, plus 1 est A, moins 1 est B, plus 1 est B.
  372. 22:58 S'il y a quatre états classiques pour l'ensemble des deux,
  373. 23:01 ça veut dire qu'un état quantique peut être généralement
  374. 23:04 une superposition de ces quatre possibilités.
  375. 23:07 Donc quand je décris un état superposé pour l'ensemble des deux particules,
  376. 23:11 je dois ajouter les quatre états.
  377. 23:13 Et pour décrire complètement un état superposé de ce genre,
  378. 23:16 je devrais aussi spécifier les quatre coefficients
  379. 23:19 à appliquer à chacun des états.
  380. 23:21 Si j'imagine que mon électron sort initialement de la machine
  381. 23:24 dans l'état superposé,
  382. 23:26 après interaction avec la particule parasite,
  383. 23:29 vu les règles d'interaction,
  384. 23:31 l'ensemble des deux se retrouve dans l'état qui est
  385. 23:34 moins 1 A plus plus 1 B.
  386. 23:37 A ce stade, rien d'exceptionnel,
  387. 23:39 c'est juste la traduction en état quantique de la règle d'interaction.
  388. 23:43 Il faut juste se souvenir de bien décrire les deux particules ensemble.
  389. 23:47 Pour ceux qui connaissent, vous aurez peut-être reconnu là
  390. 23:50 ce qu'on appelle une intrication entre les deux particules.
  391. 23:53 Leur situation est maintenant irrémédiablement liée,
  392. 23:56 et ce, même si elles ne sont pas forcément localisées au même endroit.
  393. 24:00 Ensuite, notre électron continue son chemin et arrive dans l'interféromètre.
  394. 24:04 Qu'est-ce qui se passe ?
  395. 24:05 Rappelons la règle d'action de l'interféromètre,
  396. 24:08 on l'a dit, plus 1 devient plus 1 plus moins 1,
  397. 24:11 plus 1 devient plus 1 moins moins 1.
  398. 24:13 Et donc notre état complet devient
  399. 24:16 plus 1 B plus moins 1 B plus plus 1 A moins moins 1 A.
  400. 24:21 Lisez ça tranquillement, je vous laisse vérifier que j'ai appliqué correctement
  401. 24:25 l'évolution que l'interféromètre fait subir à l'électron.
  402. 24:29 Et enfin, l'électron arrive dans l'appareil de mesure du spin.
  403. 24:33 Et là, j'applique simplement les règles de la mécanique quantique.
  404. 24:37 Vous voyez qu'il y a 4 états possibles au total,
  405. 24:40 tous avec le même coefficient, le signe moins et le signe plus jouent le même rôle.
  406. 24:44 Chacun de ces états a donc 25% de probabilité de se matérialiser.
  407. 24:49 Mais comme ma mesure ne porte que sur le spin de l'électron, je ne regarde que ça.
  408. 24:54 Et on voit que la moitié des états possibles conduiront à une mesure de plus 1
  409. 24:58 et l'autre moitié à moins 1.
  410. 25:01 Donc là, la mesure va donner plus 1 ou moins 1 à 50-50.
  411. 25:05 Donc ça n'est plus comme tout à l'heure, souvenez-vous !
  412. 25:08 Avant, en sortie de l'interféromètre, je trouvais 50-50 pour les états purs,
  413. 25:12 mais uniquement des plus 1 pour l'état superposé.
  414. 25:15 C'était le phénomène d'interférence.
  415. 25:17 Or là, pour l'état superposé, je suis cette fois à nouveau à 50-50.
  416. 25:20 Il n'y a plus d'interférence.
  417. 25:22 Le résultat de mesure qu'on obtient est le même que si on avait un simple mélange statistique au départ.
  418. 25:28 Qu'est-ce qui s'est passé ?
  419. 25:30 Regardons à nouveau le détail.
  420. 25:31 Voici l'état que j'ai en sortie de l'interféromètre.
  421. 25:33 Plus 1B, plus moins 1B, plus plus 1A, moins moins 1A.
  422. 25:39 Tout à l'heure, je n'avais pas de particules perturbatrices.
  423. 25:41 Donc pas de A ou B.
  424. 25:43 Et les deux termes moins 1 se compensaient.
  425. 25:45 Il ne restait plus que le plus 1.
  426. 25:47 C'était ça l'interférence.
  427. 25:49 Mais là, ça n'est plus le cas.
  428. 25:50 Ça ne marche plus.
  429. 25:51 Ma particule parasite s'est intriquée avec mon électron
  430. 25:54 et ça empêche la compensation des termes.
  431. 25:57 Et ça détruit donc l'effet d'interférence.
  432. 26:00 Je répète, le résultat qu'on obtient alors est exactement celui qu'on aurait
  433. 26:04 si au lieu d'une superposition, on avait initialement un simple mélange statistique.
  434. 26:09 Les preuves de la superposition ont en quelque sorte disparu.
  435. 26:13 Ce que je vous ai montré là, c'est que je trouve une des situations les plus simples
  436. 26:17 et les plus percutantes pour illustrer ce qu'est la décohérence.
  437. 26:21 On part d'un objet quantique dans un état superposé et placé dans un certain environnement.
  438. 26:26 À cause de l'interaction entre l'objet et l'environnement, les deux se retrouvent intriqués
  439. 26:31 et cette intrication détruit les interférences qu'on aurait pu espérer mettre en évidence.
  440. 26:36 Une fois les interférences détruites, on obtient exactement les mêmes résultats expérimentaux
  441. 26:40 que si on avait un simple mélange statistique plutôt qu'une superposition quantique.
  442. 26:45 L'interaction avec l'environnement détruit les effets typiquement quantiques
  443. 26:50 et fait émerger un comportement classique, normal, conforme à notre intuition de tous les jours,
  444. 26:55 celle qu'on a du monde macroscopique.
  445. 26:58 Ce que je vous ai détaillé ici, je le rappelle, c'est un cas extrême de décohérence.
  446. 27:01 Il n'y a qu'une seule particule parasite qui joue le rôle de l'environnement,
  447. 27:05 mais l'interaction est très forte puisque cette particule s'intrigue totalement avec l'électron.
  448. 27:10 Ce qu'on peut montrer avec des calculs plus poussés, c'est qu'on obtient le même genre de choses
  449. 27:14 si on imagine un environnement constitué d'un très grand nombre de particules parasites
  450. 27:19 et ayant chacune une très faible interaction avec notre système.
  451. 27:23 Mais le principe général reste le même.
  452. 27:25 L'intrication avec l'environnement détruit les interférences.
  453. 27:29 Alors attention, si vous regardez bien, la décohérence ne détruit pas les superpositions.
  454. 27:34 Avant la mesure, la superposition existe toujours bel et bien,
  455. 27:38 mais elle se trouve en quelque sorte diluée dans l'environnement.
  456. 27:41 Sauf que comme on ne mesure pas les particules de l'environnement,
  457. 27:44 on ne peut plus voir les interférences qui devraient trahir la présence de cette superposition.
  458. 27:50 Un point sur lequel j'insiste.
  459. 27:51 La décohérence n'ajoute rien de nouveau au formalisme de la mécanique quantique.
  460. 27:55 C'est vraiment une simple application de ces principes.
  461. 27:58 Et on a fini par comprendre pourquoi elle expliquait la difficulté de faire des interférences avec des objets macroscopiques.
  462. 28:05 Une implication concrète de la théorie de la décohérence, c'est ce qui concerne les ordinateurs quantiques.
  463. 28:11 Vous savez peut-être que ceci repose précisément sur la possibilité de manipuler des états superposés
  464. 28:17 pour réaliser des calculs d'une façon différente et potentiellement plus efficace.
  465. 28:22 Ces calculs font intervenir des transformations qu'on réalise sur les états quantiques,
  466. 28:26 un peu comme mon interféromètre de tout à l'heure.
  467. 28:28 Et pour que tout se passe correctement, il est crucial d'éviter la décohérence
  468. 28:33 qui casserait les interférences et fausserait les calculs.
  469. 28:36 C'est la raison pour laquelle quand vous voyez un ordinateur quantique,
  470. 28:39 c'est souvent une grosse machine très isolée et refroidie à des températures extrêmes.
  471. 28:44 Un dernier point pour faire le lien avec certaines autres de mes vidéos précédentes.
  472. 28:48 Que nous dit la décohérence sur la fameuse question des interprétations de la mécanique quantique ?
  473. 28:54 Eh bien d'une part, vous l'aurez compris, la décohérence n'est pas une interprétation.
  474. 28:59 C'est une conséquence des lois de la mécanique quantique, indépendante de l'interprétation qu'on choisit.
  475. 29:04 Ensuite, la décohérence ne résout pas complètement le problème de la mesure.
  476. 29:09 En effet, elle n'explique pas pourquoi les mesures donnent toujours un résultat bien défini.
  477. 29:13 Ce qu'on interprète parfois avec l'idée d'effondrement de la fonction d'onde.
  478. 29:17 Toutefois, il faut reconnaître que la décohérence jette un éclairage nouveau sur la question des interprétations.
  479. 29:23 Et en particulier, elle semble s'accorder plus naturellement avec certaines interprétations que d'autres.
  480. 29:29 Notamment avec l'interprétation d'Evrett, dite des univers multiples, dont je vous parlerai dans une prochaine vidéo.
  481. 29:36 Voilà, c'est tout pour aujourd'hui, n'oubliez pas de vous abonner, de mettre la cloche,
  482. 29:40 rejoignez le serveur Discord pour avoir des nouvelles fraîches sur mes activités.
  483. 29:44 Je vous mets le lien du serveur en description.
  484. 29:46 Et puis je vous dis à très vite pour une nouvelle vidéo.
  485. 29:48 A bientôt !