Les physiciens confirment que l'intrication quantique persiste entre les quarks top, les particules fondamentales les plus lourdes connues

Une expérience menée par un groupe de physiciens dirigé par Regina Demina, professeur de physique à l'Université de Rochester, a produit un résultat significatif lié à l'intrication quantique, un effet qu'Albert Einstein a qualifié d'« action effrayante à distance ».

L'intrication concerne le comportement coordonné de minuscules particules qui ont interagi mais se sont ensuite séparées. La mesure des propriétés (telles que la position, l'impulsion ou le spin) de l'une des paires de particules séparées modifie instantanément les résultats de l'autre particule, quelle que soit la distance parcourue par la seconde particule par rapport à sa jumelle. En effet, l’état d’une particule intriquée, ou qubit, est indissociable de l’autre.

L'intrication quantique a été observée entre des particules stables, telles que des photons ou des électrons.

Mais Demina et son groupe ont innové en découvrant, pour la première fois, que l'intrication persistait entre des quarks top instables et leurs partenaires antimatière à des distances supérieures à celles pouvant être couvertes par les informations transférées à la vitesse de la lumière. Plus précisément, les chercheurs ont observé une corrélation de spin entre les particules.

Par conséquent, les particules ont démontré ce qu’Einstein a décrit comme « une action effrayante à distance ».

Une « nouvelle voie » pour l’exploration quantique

La découverte a été rapportée par la collaboration Compact Muon Solenoid (CMS) du Centre européen pour la recherche nucléaire, ou CERN, où l'expérience a été menée.

“La confirmation de l'intrication quantique entre les particules fondamentales les plus lourdes, les quarks top, a ouvert une nouvelle voie pour explorer la nature quantique de notre monde à des énergies bien au-delà de ce qui est accessible”, indique le rapport.

Le CERN, situé près de Genève, en Suisse, est le plus grand laboratoire de physique des particules au monde. La production de quarks top nécessite de très hautes énergies accessibles au Grand collisionneur de hadrons (LHC), qui permet aux scientifiques d'envoyer des particules de haute énergie tourner autour d'une piste souterraine de 17 milles à une vitesse proche de la vitesse de la lumière.

Le phénomène de l’intrication est devenu le fondement d’un domaine en plein essor de la science de l’information quantique qui a de vastes implications dans des domaines tels que la cryptographie et l’informatique quantique.

Les quarks top, chacun aussi lourd qu'un atome d'or, ne peuvent être produits que dans des collisionneurs tels que le LHC et il est donc peu probable qu'ils soient utilisés pour construire un ordinateur quantique. Mais des études comme celles menées par Demina et son groupe peuvent faire la lumière sur la durée pendant laquelle l'intrication persiste, si elle est transmise aux « filles » des particules ou aux produits de désintégration, et ce qui, le cas échéant, finit par briser l'intrication.

Les théoriciens pensent que l’univers était dans un état intriqué après sa phase initiale d’expansion rapide. Le nouveau résultat observé par Demina et ses chercheurs pourrait aider les scientifiques à comprendre ce qui a conduit à la perte de la connexion quantique dans notre monde.

Quarks top dans les relations quantiques à longue distance

Demina a enregistré une vidéo pour les réseaux sociaux de CMS pour expliquer le résultat de son groupe. Elle a utilisé l'analogie d'un roi indécis d'un pays lointain, qu'elle a appelé « King Top ».

Le roi Top apprend que son pays est envahi, alors il envoie des messagers pour dire à tous les habitants de son pays de se préparer à se défendre. Mais ensuite, explique Demina dans la vidéo, il change d’avis et envoie des messagers pour ordonner au peuple de se retirer.

“Il continue de faire volte-face comme ça, et personne ne sait quelle sera sa décision le moment suivant”, dit Demina.

Personne, poursuit Demina, à l'exception du chef d'un village de ce royaume, connu sous le nom d'« Anti-Top ».

“Ils connaissent l'état d'esprit de chacun à tout moment”, explique Demina.

Le groupe de recherche de Demina est composé d'elle-même, d'Alan Herrera, étudiant diplômé, et du boursier postdoctoral Otto Hindrichs.

En tant qu'étudiante diplômée, Demina faisait partie de l'équipe qui a découvert le quark top en 1995. Plus tard, en tant que membre du corps professoral de Rochester, Demina a codirigé une équipe de scientifiques de partout aux États-Unis qui a construit un dispositif de suivi qui a joué un rôle clé dans la découverte en 2012 du boson de Higgs, une particule élémentaire qui contribue à expliquer l'origine de la masse dans l'univers.

Les chercheurs de Rochester travaillent depuis longtemps au CERN au sein de la collaboration CMS, qui rassemble des physiciens du monde entier. Récemment, une autre équipe de Rochester a franchi une étape importante dans la mesure de l’angle de mélange électrofaible, un élément crucial du modèle standard de physique des particules, qui explique comment les éléments constitutifs de la matière interagissent.