Compl�ments du livre
"Pour un principe mat�rialiste fort"

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L’intrication quantique

L'observation du monde quantique la plus surprenante, qu'Einstein s'�tait toute sa vie refus� d'admettre, concerne l'intrication (entanglement). Lorsqu'un syst�me exp�rimental produit deux particules corr�l�es, toute intervention sur l'une affecte instantan�ment l'autre, quelles que soient leurs distances respectives. Leurs �tats sont corr�l�s. Supposer qu'une action � distance (non productrice il est vrai de transfert d'information) puisse se produire instantan�ment, m�me si les particules intriqu�es sont s�par�es par l'univers entier, remet en cause radicalement nos conceptions de l'espace et du temps.

Mais il sera sans doute de plus en plus difficile d'admettre l'intrication comme une simple curiosit� scientifique, sans cons�quence sur nos conceptions du r�el instrumental qui sert d'arri�re-plan � notre vie quotidienne. Un article tout � fait r�v�lateur du r�dacteur scientifique Micha�l Brooks publi� dans le NewScientist du 27 mars 2004 nous dit pourquoi. Des physiciens font d�sormais l'hypoth�se que l'intrication entre particules existe partout, tout le temps, et qu'elle est susceptible d'affecter le monde macroscopique, nous obligeant � modifier radicalement nos conceptions de celui-ci. Ceci pourrait avoir des cons�quences relatives � notre compr�hension des ph�nom�nes qui nous demeurent encore en partie myst�rieux, ceux de la vie, auxquels nous ajouterons ceux de la conscience.

On l'a dit, l'intrication n'est plus seulement aujourd'hui une propri�t� th�orique. Elle est utilis�e pratiquement dans certaines applications, comme la cryptologie quantique. Toute intervention (lecture) sur une particule corr�l�e avec une autre affecte imm�diatement l'�tat de la particule sœur, si bien que deux correspondants �tant convenu d'utiliser un syst�me intriqu� comme clef de s�curisation pour leurs �changes peuvent constater en temps r�el les tentatives d'effraction sur ce syst�me, lesquelles se traduisent par la r�duction imm�diate et visible de la fonction d'onde des particules.
Mais l'article cite d'autres exemples o� l'intrication entre particules, photons, �lectrons, atomes ou m�me mol�cules, se manifeste de fa�on d�tectable par la physique ordinaire. La corr�lation en ce cas affecte un grand nombre de particules et non plus un couple. Elle se produit donc � l'�chelle macroscopique et doit �tre prise en consid�ration dans l'�tude des �tats possibles d'un mat�riau. Les exp�riences mentionn�es appara�tront au profane assez exotiques et peu susceptibles encore d'applications ou d'extensions. (Corr�lation entre les �tats magn�tiques d'atomes d'holmium au sein d'un sel magn�tique, dans l'exp�rimentation de Sayantani Ghosh de l'universit� de Chicago, r�f�renc� par Nature, vol 425, p. 48 (1). Mais pour les sp�cialistes, elles ne trompent pas. Tout laisse supposer que la physique et plus g�n�ralement la science sont � la veille de bouleversements conceptuels profonds.

Dans l'exp�rience de Sayantani Ghosh, int�ressant un sel magn�tique contenant des atomes d'holmium, on a pu montrer qu'� tr�s basse temp�rature, ces atomes coordonnaient leur orientation magn�tique au sein d'un champ d'une fa�on explicable seulement par un effet d'intrication. Cet effet avait �t� pr�vu th�oriquement 3 ans auparavant par le physicien th�oricien Vlatko Vedral de l'Imperial College � Londres et a �t� ainsi v�rifi�. C'est la premi�re fois qu'un tel effet est mis en �vidence � �chelle macroscopique. Ceci voudrait dire qu'il faudrait dor�navant prendre en compte les effets de l'intrication si l'on voulait pr�dire le comportement et les propri�t�s de certains mat�riaux (de tous mat�riaux�?) � l'interface de leurs comportements macroscopiques d'une part, quantiques de l'autre.

Mais, selon Micha�l Brooks, il va falloir �tudier l'effet de l'intrication dans de nombreux autres cas, par exemple dans la supraconductivit� � haute temp�rature, o� des paires d'�lectrons apparaissent intriqu�es. D'autres physiciens suspectent que l'intrication est partout, dans le vide quantique (Reznik, r�f�renc� par Foundations of Physics, vol 33, p. 137), dans les photons qui nous parviennent d'une �toile, entre les atomes qui composent notre corps (Thomas Durt de la Vrije Universit� � Bruxelles).
Mais les effets �tranges de l'intrication ne s'arr�tent pas l�. On commence � suspecter, au moins en th�orie, qu'elle peut se faire sentir � travers le temps. Si l'on mesure l'�tat d'un syst�me quantique au temps t, ceci peut affecter l'�tat de ce syst�me tel qu'il avait �t� mesur� au temps t-1 pr�c�dent (Caslav Brukner, de l'universit� de Vienne, cit� dans l'article).

Evidemment, suspecter ces divers ph�nom�nes est une chose, prouver leur r�alit� en est une autre, en tirer des cons�quences pratiques une troisi�me. La premi�re difficult� consiste � produire des particules intriqu�es de fa�on courante et en nombre suffisant pour pouvoir exp�rimenter sur elles. Les difficult�s ne sont pas seulement physiques, mais math�matiques et informatiques, car les outils actuellement disponibles pour en calculer les effets sont insuffisamment puissants. Il faudra aussi s'assurer que les premi�res observations relatives � l'intrication entre plusieurs particules se retrouvent dans les nombreux autres domaines o� l'on pourrait a priori suspecter la pr�sence de particules quantiques intriqu�es avec des particules mat�rielles, y compris dans les syst�mes biologiques. Il faudra aussi expliquer pourquoi des particules quantiques peuvent conserver leurs caract�res, notamment l'intrication, alors qu'elles sont au contact d'un tr�s grand nombre de particules mat�rielles�? Elles devraient "d�coh�rer" imm�diatement, comme l'avaient montr� les exp�riences conduites depuis une vingtaine d'ann�es sur la d�coh�rence.

Cela �tant, il ne faut pas s'�tonner que les observations pr�c�dent les explications. Peut-�tre m�me faudra-t-il se r�soudre � ne pas expliquer ce que l'on observera. Comme l'on sait, en m�canique quantique, on se borne � mesurer (observer puis pr�dire en termes statistiques) les ph�nom�nes, sans pouvoir v�ritablement les expliquer, tout au moins dans les termes de la physique classique. Il est tout � fait possible que les explications scientifiques traditionnelles demeurent limit�es aux domaines des sciences macroscopiques, celles-ci n'apparaissant plus que comme des cas particuliers d'une science d'arri�re-plan o� l'on se bornera � observer et mesurer - ce qui n'emp�chera pas d'ailleurs d'agir.

Par contre, montrer que des particules quantiques interviennent efficacement dans des syst�mes macroscopiques constitu�s d'un nombre immense de particules classiques changerait �videmment notre fa�on de voir le monde. C'est d'abord dans le domaine de la biologie que la question doit �tre pos�e.
Nous avons pr�c�demment cit� les hypoth�ses du Dr Mac Fadden, par lequelles il cherche � montrer que l'�volution biologique s'exer�ant par l'interm�diaire des mutations des ADN ne se faisait pas enti�rement au hasard, sur le mode mutation/s�lection du n�o-darwinisme classique. Elle pouvait �tre orient�e par des particules quantiques se d�pla�ant par effet tunnel � l'int�rieur des atomes d'un g�ne et modifiant les caract�res chimiques des atomes constitutifs de la mol�cule d'ADN consid�r�e, d'une fa�on orient�e. Cela lui conf�rerait des propri�t�s plus favorables � la survie que si le g�ne avait mut� seulement de fa�on spontan�e. L'auteur de cette hypoth�se s'�tait donn� beaucoup de mal pour expliquer pourquoi la particule quantique conservait son �tat de superposition jusqu'� trouver le bon atome (la bonne liaison chimique) qui rendrait le g�ne efficace. Son hypoth�se, � notre connaissance, n'avait �t� ni v�rifi�e ni infirm�e. Elle avait rejoint un certain nombre d'hypoth�ses analogues faisant intervenir les particules quantiques dans les processus biologiques, rest�es en suspens faute de d�monstrations pr�cises. Ne peut-on pas penser alors que les nouvelles hypoth�ses �voqu�es dans le cadre de l'intrication entre un grand nombre de particules quantiques permettraient de relancer ces travaux sur des bases plus solides�?

L'objection constamment faite aux biologistes �volutionnistes est que le n�o-darwinisme ne permet pas d'expliquer le d�marrage du processus r�plicatif (voir chapitre 2). On pourrait envisager que l'interaction de particules quantiques intriqu�es leur ait permis de trouver, parmi une quasi-infinit� de solutions test�es dans le m�me instant, la bonne ou les bonnes solutions susceptibles, une fois mat�rialis�es dans le monde macroscopique, de se r�pliquer. En appliquant la m�me hypoth�se, on pourrait admettre que des particules quantiques intriqu�es avec des particules physiques entrant dans la composition des mol�cules d'ADN pourraient, � chaque mutation, calculer les solutions les plus efficaces � la r�plication du g�nome ou de l'organisme qui en est le porteur. Ceci r�pondrait � l'autre objection faite aux biologistes �volutionnistes�: comment les bonnes solutions g�n�tiques apparaissent-elles si vite, alors que le jeu spontan� des mutations/s�lections au hasard pourraient demander un nombre d'ann�es bien sup�rieur � ce qu'est l'�ge de la vie. lui expliquerait l'autre. Les partisans d'une �volution finalis�e par un facteur ext�rieur perdraient l� leur principal argument.
On demandera comment des particules quantiques intriqu�es pourraient se livrer � des calculs informatiques gigantesques en un temps quasi nul. La r�ponse pourrait �tre � chercher du c�t� de ce que l'on �tudie d�sormais en vue de la r�alisation d'un ordinateur quantique, pr�cit�. Les q.bits, tant qu'ils ne sont pas r�duits, affectent tous les �tats possibles entre le z�ro et le un. Un petit nombre d'entre eux est donc capable de proc�der aux calculs que ferait un super-ordinateur dot� de milliards de bits. La technologie est loin d'�tre encore ma�tris�e, mais ce sont les questions pratiques qui posent probl�me�:comment maintenir en �tat de superposition des q.bits qui sont constamment menac�s de d�coh�rence du fait qu'ils voisinent dans le dispositif avec des atomes ordinaires�? Certains des algorithmes de calcul qui seront utilis�s dans les ordinateurs quantiques ont d�j� �t� con�us. Rien n'interdit de penser que, dans la nature, des algorithmes autrement plus puissants aient pu �tre s�lectionn�s au cours de l'�volution. Ceci dit, l'ordinateur quantique ne constitue certainement qu'une solution parmi de nombreuses autres permettant � des computations extr�mement puissantes de s'effectuer dans l'univers en utilisant des particules quantiques.

Evoquons ici d’un mot l'autre hypoth�se, encore plus r�volutionnaire, signal�e par l'article de Micha�l Brooks�: celle selon laquelle les particules quantiques disposeraient d'�tats intriqu�s dans le temps. Si je mesure une particule donn�e au temps t et lui trouve tel �tat, si je renouvelle la mesure une seconde fois, je constate un lien entre la seconde mesure et la premi�re. Tout se passe comme si ma seconde mesure avait affect� la premi�re, par une action � distance dans le temps (analogue � l'action � distance dans le temps qui lie les mesures de l'�tat de deux particules intriqu�es). Selon Caslav Brukner, ceci ne permet pas de transmettre des informations dans le pass� car il n’y a pas transmission d’�nergie, mais peut avoir une cons�quence autrement importante, sur le plan th�orique�: c'est que l'espace et le temps sont �galement quantifi�s et mesurables. La m�canique quantique n'admet pas que le temps soit un observable, mais ce ne devrait pas �tre le cas de la gravitation quantique, dont on attend un jour ou l'autre, peut-�tre prochain, des propositions r�volutionnaires, par rapport � la physique actuelle, propositions selon lesquelles le tissu ultime de l'univers ne ferait pas r�f�rence au temps non plus qu'� l'espace consid�r�s comme des cadres absolus - ce qui est d�j� le cas dans le vide quantique ou plus simplement dans les trous noirs.

Il est �vident que si des particules quantiques intriqu�es avec des particules classiques, celles notamment composant notre g�nome, pouvaient d'une fa�on ou d'une autre r�troagir sur leur �tat pass� en fonction de leur �tat pr�sent, ceci expliquerait encore mieux que l'appel � des computations quantiques l'apparente finalit� de l'�volution. Une solution isol�e ayant r�ussi aujourd'hui pourrait modifier les param�tres lui ayant permis de voir le jour, de fa�on � ce que ceux-ci puissent produire � plus grande �chelle la bonne solution. Mais n'explorons pas davantage de telles perspectives, car il est �vident que si leurs fondements scientifiques se v�rifiaient, bien d'autres cons�quences pourraient en d�couler, n'int�ressant pas seulement l'�volution biologique.
On pourrait aussi, dans la suite des exp�riences signal�es par Micha�l Brooks, se demander si le libre arbitre ne trouverait pas dans la suite de telles recherches une possible explication. Comment expliquer l'apparente libert� dont je dispose pour rechercher les solutions les plus aptes � assurer ma survie�? On sait que les sciences r�centes tendent toutes � nier cette libert�, en mettant en �vidence des d�terminismes plus ou moins complexes qui m'obligent, selon elles, � agir comme je le fais et non autrement. Mon libre arbitre ne serait alors qu'une illusion. Malgr� cela, je reste intimement convaincu (c'est m�me une donn�e imm�diate de ma conscience) que je suis libre de choisir l'action que je choisis, en �liminant d'autres choix �galement possibles. L'ennui est que l'observation du cerveau en action ne montre nulle part d'aires ou de r�seaux neuronaux o� pourrait s'exercer mon libre arbitre.

Mais que se passerait-il si les calculs qui me permettent de me concevoir comme capable d'agir librement se d�roulaient dans le monde quantique. Dans ce cas, en un temps nul, les neurones supports des m�canismes d'auto-r�flexion pourraient par l'interm�diaire de particules quantiques intriqu�es � certains de leurs �l�ments, proc�der � des computations dont seul le r�sultat (suppos� alors le meilleur) �mergerait sous forme de d�cision observable. Quand je me sens libre de prendre telle ou telle d�cision, je ne pr�tends pas que je suis libre de faire n'importe quoi, par exemple d�cider de fa�on al�atoire comme si je tirais la solution au sort. Je me sens seulement libre de faire un choix responsable, engageant l'ensemble de mon �tre et de son histoire, conscient et inconscient. Mais dans le monde de la neurologie computationnelle macroscopique, je n'ai ni les ressources ni le temps de proc�der aux innombrables computations qui seraient n�cessaires. D'o� ma tentation de consid�rer que ma suppos�e libert� n'est qu'une illusion et que je suis en fait agi par des d�terminismes divers.
Tout changerait si mon cerveau neuronal macroscopique �tait doubl� d'un cerveau quantique (fut-il beaucoup plus petit) capable de calculer comme le ferait un ordinateur quantique. Il suffirait pour cela que certains atomes composant les neurones de mon cerveau et plac�s dans des endroits clefs pour l'auto-repr�sentation et la computation des solutions possibles soient intriqu�s avec des atomes quantiques auxquels ils d�l�gueraient la responsabilit� des calculs n�cessaires � l'exercice du libre arbitre et plus g�n�ralement � l'heuristique permanente qui caract�rise la conscience volontaire.

Ces supputations apportent de l’eau au moulin � la th�se de Seth Lloyd, expos�e ci-apr�s, selon laquelle l’univers serait un immense ordinateur quantique.

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R�f�rences

Sayantani :
Ghosh http://home.uchicago.edu/~sghosh/CV.html.

Voir aussi�:
http://home.uchicago.edu/~sghosh/research.html.

Sur les effets de l'intrication dans des dipoles magn�tiques, voir�:�
http://arxiv.org/abs/cond-mat/0402456.

Vlatko Vedral :
http://www.qubit.org/people/vlatko/.

Publications de Thomas Durt � la Vrije University :
http://rd-ir.vub.ac.be/vademecum/publication/FUND_pub.html.

Caslav Brukner :
http://www.ap.univie.ac.at/users/Caslav.Brukner/.

Article: quantum entanglement in time :
http://www.arxiv.org/abs/quant-ph/0402127.

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