Bell's go theorem: regaining local causality with a new notion of realism

Au cœur de la physique quantique se trouve une énigme qui tourmente les scientifiques depuis des décennies : comment deux particules, séparées par des distances immenses, peuvent-elles sembler savoir instantanément ce que l'autre fait ? Ce phénomène, connu sous le nom d'intrication, défie notre expérience quotidienne de la cause et de l'effet. Pendant des années, l'explication standard était que l'univers devait être « non-local », ce qui signifie que quelque chose voyage plus vite que la lumière entre les particules pour coordonner leur comportement, ou que l'univers est truqué d'une manière qui nous cache cette connexion. Cette conclusion découle d'un résultat célèbre appelé le théorème de Bell, qui suggérait que si nous supposions que les particules possèdent des propriétés définies avant que nous ne les mesurions (un concept appelé réalisme) et que rien ne voyage plus vite que la lumière (la causalité locale), alors les statistiques de leur comportement devraient suivre une limite stricte. Les expériences quantiques brisent systématiquement cette limite, forçant les physiciens à choisir entre abandonner l'idée d'un monde réel et indépendant ou accepter que la nature autorise des influences fantomatiques plus rapides que la lumière.

Une nouvelle étude de Lorenzo Catani, Nesta van der Schaaf et Rui Soares Barbosa remet en question le fondement même de ce dilemme. Ils soutiennent que le conflit ne provient pas du fait que la nature est défaillante, mais parce que notre description mathématique de la « réalité » est trop rigide. Les chercheurs proposent un nouveau cadre où les briques élémentaires de l'univers ne sont pas des points fixes et indépendants ayant des réponses prédéterminées à chaque question possible. Au lieu de cela, ils suggèrent que la réalité est faite de « registres » — des morceaux d'informations relationnels qui n'existent que dans le contexte d'une mesure spécifique. En redéfinissant ce que signifie être réel, ils démontrent qu'il est possible d'expliquer les étranges corrélations des particules quantiques en utilisant uniquement des causes locales, sans aucun signal plus rapide que la lumière ou complot caché. Leur travail transforme une preuve d'« impossibilité » célèbre en une preuve de « possibilité », démontrant qu'une explication localement causale de la mécanique quantique est non seulement possible, mais peut être construite explicitement.

L'histoire commence par une expérience de pensée simple impliquant deux amis, Alice et Bob, envoyés aux deux extrémités de la Terre. On leur pose chacun une question et ils doivent donner une réponse. Lorsqu'ils comparent leurs réponses plus tard, ils constatent qu'ils sont parfaitement corrélés. Dans un monde classique, l'explication naturelle est qu'ils ont convenu d'un plan à l'avance, une liste complète de réponses pour chaque question possible qui pourrait leur être posée. Ce plan partagé, fixé dans leur passé commun, explique la corrélation sans aucun besoin de communication entre eux. Cependant, la mécanique quantique introduit un rebondissement : les questions qu'Alice et Bob peuvent poser sont « incompatibles », ce qui signifie qu'elles ne peuvent pas être posées en même temps. Alice peut choisir de poser une question sur le spin d'une particule dans une direction ou une autre, mais elle ne peut pas poser les deux à la fois. La théorie quantique prédit que les corrélations entre leurs réponses seront plus fortes que ce que tout plan convenu à l'avance pourrait laisser espérer.

Pendant des décennies, le consensus était que cette corrélation plus forte que possible signifiait que les amis devaient s'influencer instantanément à travers la distance, violant la vitesse de la lumière, ou que leurs choix étaient secrètement prédéterminés d'une manière qui cache l'influence. C'est le problème de l'« ajustement fin » (fine-tuning) : l'univers devrait être disposé si précisément que l'influence plus rapide que la lumière est totalement invisible pour toute expérience. Les chercheurs de cette étude soutiennent que nous n'avons pas besoin d'accepter cet ajustement fin. Au lieu de cela, ils suggèrent que nous devions repenser la nature du « plan » lui-même. Dans la vision standard, un plan est une liste unique et universelle qui assigne une réponse à chaque question possible, même celles qui ne peuvent jamais être posées ensemble. Le nouveau cadre rejette cette idée de liste universelle. Au lieu de cela, le passé commun est un réseau de registres.

Imaginez un registre non pas comme une réponse complète à une question, mais comme un moyen d'identifier qu'une question spécifique a été posée. Si Alice pose une question qui apparaît dans deux scénarios différents, un registre dit simplement : « Ceci est la même question dans les deux cas. » Il n'assigne pas une réponse à toutes les questions possibles à la fois ; il lie seulement les instances spécifiques où cette question apparaît. Ces registres sont relationnels ; ils n'existent que dans la relation entre les scénarios qu'ils connectent. Crucialement, ces registres n'ont pas besoin d'être des « points » dans un espace mathématique qui détiennent toutes les réponses simultanément. Ils peuvent être des « parties » d'un tout qui existent sans être faits de points. Cela permet à la même question d'être la même dans deux scénarios différents et incompatibles sans forcer ces scénarios à fusionner en une liste unique et englobante.

En construisant un modèle mathématique basé sur ces registres, les chercheurs ont créé un nouveau type de réalité locale. Dans ce modèle, les corrélations entre Alice et Bob sont expliquées par le réseau de registres qu'ils partagent de leur passé. Lorsqu'Alice effectue une mesure, son résultat dépend uniquement de son réglage et des registres qu'elle partage avec Bob. Il n'est pas nécessaire qu'un signal voyage entre eux, et il n'est pas nécessaire que l'univers cache une influence plus rapide que la lumière. Le modèle reproduit avec succès les statistiques exactes prédites par la mécanique quantique, y compris les corrélations les plus fortes observées en expérimentation. En fait, les chercheurs ont montré que leurs modèles peuvent produire une gamme de corrélations qui va de la limite classique jusqu'à la valeur maximale autorisée par les mathématiques, couvrant la valeur spécifique que la mécanique quantique atteint.

La clé de ce succès est un départ de la probabilité classique. Dans notre expérience quotidienne, si vous avez deux situations distinctes, les probabilités de leurs résultats s'additionnent de manière directe. Mais dans ce nouveau cadre, lorsque vous regardez deux situations incompatibles ensemble, les règles d'addition changent. Les probabilités n'ont pas besoin de s'insérer dans un compte rendu unique et unifié car les situations ne peuvent pas se produire en même temps. Cet échec des règles de probabilité standard n'est pas un défaut ; c'est une caractéristique qui permet au modèle d'expliquer les fortes corrélations quantiques sans briser les règles de la causalité locale. Les chercheurs ont démontré cela en construisant des modèles explicites où le « poids » du passé partagé est distribué parmi ces registres d'une manière qui correspond parfaitement aux prédictions quantiques.

Ce travail ne prétend pas avoir résolu tous les mystères de la mécanique quantique, mais il offre un changement profond de perspective. Il montre que la « non-localité » souvent attribuée à la théorie quantique pourrait être un artefact de la façon dont nous définissons la réalité, plutôt qu'une caractéristique fondamentale de la nature. En remplaçant l'idée d'unités indépendantes et prédéterminées par un réseau de registres relationnels, les chercheurs ont montré qu'une explication localement causale est possible. Ils ont transformé un théorème qui semblait autrefois exclure le réalisme local en un théorème qui prouve qu'il peut exister. La leçon est que l'univers n'a pas besoin d'être conspirateur ou non-local pour être quantique ; il a simplement besoin d'être compris en termes de registres qui lient ce qui peut être connu, sans forcer une liste unique et impossible de toutes les réponses possibles. Cela ouvre la porte à un nouveau programme de recherche visant à reformuler la théorie quantique de manière à ce qu'elle soit à la fois réaliste et exempte d'ajustement fin, offrant une image plus claire du monde dans lequel nous vivons.