No violation on a generalisation of Leggett-Garg inequality and Bell-CHSH inequality with extended probability

Depuis des décennies, les physiciens tentent de résoudre un puzzle discret mais profond : comment le monde étrange et flou de l'infiniment petit devient-il le monde solide et prévisible que nous voyons chaque jour ? Dans le royaume des atomes et des électrons, les choses ne se comportent pas comme les objets sur nos tables de cuisine. Une particule peut exister dans plusieurs états à la fois, et la mesurer semble changer sa réalité. Ce décalage a mené à des tests célèbres, tels que l'inégalité de Bell-CHSH et l'inégalité de Leggett-Garg, qui agissent comme des gardiens stricts. Ces tests sont conçus pour voir si un système suit les règles de la réalité classique — où les choses possèdent des propriétés définies, qu'on les regarde ou non — ou s'ils restent obstinément quantiques. Pendant longtemps, la réponse semblait claire : les systèmes quantiques enfreignent ces règles, prouvant qu'ils ne peuvent être décrits par la logique classique.

Cependant, une nouvelle perspective suggère que le problème ne vient peut-être pas du système quantique lui-même, mais des outils mathématiques que nous utilisons pour le décrire. La probabilité traditionnelle, celle utilisée dans la vie quotidienne et la physique standard, insiste sur le fait que la chance qu'un événement se produise doit être un nombre compris entre zéro et un. Elle ne peut pas être négative. Mais dans le monde quantique, les calculs nécessitent parfois des nombres qui agissent comme des probabilités négatives pour que les mathématiques fonctionnent. Une équipe de chercheurs de l'Université Naresuan en Thaïlande a proposé un moyen de combler ce fossé. Ils suggèrent de remplacer les règles strictes de la probabilité classique par un concept plus large appelé « probabilité étendue ». Cette approche permet à ces étranges valeurs négatives d'exister comme une couche de réalité cachée sous la surface que nous observons. Ce faisant, ils ont réécrit les règles des tests célèbres, créant de nouvelles versions que les systèmes quantiques peuvent franchir sans difficulté.

Les chercheurs ont commencé par examiner l'inégalité de Leggett-Garg, un test qui vérifie si un système unique se comporte de manière cohérente au fil du temps. Dans la vue classique, un système doit avoir un état défini à chaque instant, et la mesure ne devrait pas perturber cet état. La mécanique quantique échoue généralement à ce test car l'acte de mesurer semble forcer le système vers un nouvel état, violant l'idée d'une réalité préexistante. L'équipe de Thaïlande a pris les équations de ce test et les a remplacées par leur version étendue de la probabilité standard. Dans ce nouveau cadre, la probabilité d'une séquence d'événements peut inclure des valeurs négatives, qui agissent comme un tampon contre les violations habituelles. Lorsqu'ils ont lancé des simulations utilisant ces nouvelles mathématiques, les résultats ont été frappants. Le système quantique ne brisait plus les règles. Au lieu de cela, il satisfaisait parfaitement une version généralisée de l'inégalité, quelle que soit la configuration des mesures.

Ce succès a conduit les auteurs à repenser ce que signifie être « réel » pour un système. Ils ont introduit l'idée de « macroréalisme généralisé ». Dans l'ancienne vue, un système est macroréaliste uniquement s'il possède un état défini que l'on peut mesurer sans le perturber. Dans la nouvelle vue, un système peut être considéré comme réel même si nous ne le mesurons pas, à condition qu'il possède des propriétés définies dans cette couche sous-jacente de probabilité étendue. Les chercheurs soutiennent que le système quantique est toujours dans un état défini, mais que nos outils classiques sont trop grossiers pour le voir. La « perturbation » que nous imputons habituellement à la violation est en fait simplement une limitation de l'utilisation d'un système de probabilité qui interdit les nombres négatifs. En autorisant ces nombres, le système semble posséder une histoire cohérente et non invasive à laquelle nous n'avions tout simplement pas accès auparavant.

L'équipe a appliqué la même logique à l'inégalité de Bell-CHSH, qui teste comment deux particules distinctes sont connectées à travers l'espace. Habituellement, si deux particules sont intriquées, la mesure de l'une affecte instantanément l'autre, violant l'idée classique de localité, qui veut que ce qui se passe ici ne puisse pas affecter instantanément quelque chose de loin. Les chercheurs ont construit une version généralisée de ce test en utilisant la probabilité étendue. Tout comme pour le test temporel, le système quantique a passé la nouvelle inégalité sans aucune violation. Cela suggère que les particules peuvent être décrites comme possédant des propriétés indépendantes et définies dans cette couche étendue, même lorsqu'elles sont éloignées. L'« action fantôme à distance » que Einstein n'appréciait pas tant que cela pourrait être un artefact de la tentative de forcer un comportement quantique dans une boîte de probabilité classique.

Pour donner du sens à cela, les auteurs s'appuient sur un cadre appelé « histoires cohérentes » (consistent histories), qui voit l'univers non pas comme une chronologie unique, mais comme une collection d'histoires possibles. Dans ce schéma, il existe deux couches de réalité. La couche profonde consiste en des histoires « non réglables » (non-settleable), qui sont les pleines et complexes possibilités quantiques décrites par la probabilité étendue. Ce sont les histoires qui ne peuvent pas être directement observées. La couche de surface consiste en des histoires « réglables » (settleable), qui sont les résultats spécifiques que nous voyons réellement lorsque nous mesurons quelque chose. La transition de la couche profonde à la couche de surface se produit via un processus appelé décohérence, où l'interférence entre les différentes histoires s'annule, laissant derrière elle les probabilités positives et nettes de la physique classique. Les chercheurs proposent que les inégalités généralisées fonctionnent parce qu'elles regardent directement la couche profonde, où les règles sont différentes, plutôt que de forcer la couche profonde à prétendre être la couche de surface.

L'étude ne prétend pas avoir résolu entièrement le mystère de la mécanique quantique, ni suggère que nous pouvons maintenant voir des probabilités négatives dans notre vie quotidienne. Elle offre plutôt une démonstration mathématique que si nous acceptons la probabilité étendue comme une description valide de la réalité sous-jacente, le conflit entre le comportement quantique et l'intuition classique disparaît. Les simulations montrent que les limites des inégalités sont naturellement étendues pour accommoder le monde quantique, supprimant la nécessité des violations. Cela implique que le système quantique ne « brise » pas les lois de la réalité ; plutôt, nos lois classiques ne sont qu'un cas spécial et limité d'un ensemble plus large de règles. Ce travail suggère que la voie pour comprendre comment le monde quantique devient le monde classique ne réside pas dans le rejet de la mécanique quantique, mais dans l'expansion de notre définition de ce qu'une probabilité peut être.

Les conclusions restent une proposition théorique soutenue par des simulations numériques, et non une expérience physique qui a été réalisée en laboratoire. Les chercheurs ont montré que les mathématiques fonctionnent et que les contradictions disparaissent lorsque les règles changent. Ils reconnaissent que cette approche nécessite un changement dans notre façon de percevoir la mesure et la réalité, s'éloignant de l'idée que l'observation crée le résultat. Au lieu de cela, ils suggèrent que le résultat existe sous une forme plus large et plus complexe avant même que nous ne regardions. Bien que l'idée de probabilité négative puisse sembler contre-intuitive, l'article soutient qu'elle est un outil nécessaire pour décrire la couche fondamentale de la nature. Si cette vision se confirme, cela signifie que l'univers est plus cohérent que nous ne le pensions, et que le comportement étrange des particules quantiques est simplement le reflet d'une réalité plus profonde et plus flexible que nous commençons à peine à cartographier.