Inégalités de Bell

 

Physique  |  Technique

 

Thomas Genoud, 2005 | Châtel-St-Denis, FR

 

Ce travail teste expérimentalement la violation des inégalités de Bell afin de confronter une description classique de la réalité, c’est-à-dire locale et déterministe, par rapport à une description quantique non locale et probabiliste. En mesurant le nombre de détection simultanée de paires photons intriqués, nous comparons différents modèles théoriques et analysons les corrélations observées. Nos résultats confirment que la mécanique quantique décrit plus fidèlement la réalité expérimentale que les théories à variables cachées locales et excluent toute interprétation fondée sur ces théories, validant ainsi la non-localité intrinsèque de la physique.

Problématique

La mécanique quantique a suscité de vifs débats au XXe siècle, en raison de son caractère probabiliste et de sa non-localité, deux aspects rejetés par Einstein, comme l’illustre le paradoxe EPR. Dans ce paradoxe, la mesure de l’une des deux particules intriquées semble instantanément déterminer l’état de l’autre, à distance, remettant en question la localité et la limite imposée par la vitesse de la lumière. Pour préserver le réalisme, certains ont postulé l’existence de variables cachées qui, si elles étaient connues, permettraient de prédire les résultats des mesures avec certitude. À l’inverse, Bohr considérait la mécanique quantique comme une théorie complète. Ce débat est resté théorique jusqu’en 1964, lorsque John Bell a formulé des inégalités permettant de le trancher expérimentalement. Ce travail vise à déterminer si la nature respecte la localité et le déterminisme, ou suit les lois non locales de la mécanique quantique.

Méthodologie

Nous avons d’abord mené une étude théorique pour comprendre la description et la génération d’états intriqués du type EPR. Nous avons également repris les inégalités de Bell depuis leurs hypothèses de départ, afin de retrouver les limites qu’elles imposent aux théories à variables cachées locales et à la mécanique quantique.
Nous avons ensuite procédé au montage expérimental. Des paires de photons intriqués dans l’état EPR ont été produites par un laser via la conversion paramétrique descendante spontanée. Les mesures ont été effectuées à l’aide d’un système de polarisateurs et de détecteurs, permettant d’analyser les corrélations en comptant les détections simultanées sur une période fixe. Enfin, nous avons comparé nos résultats aux prédictions théoriques et réalisé une analyse statistique.

Résultats

Les deux premières séries de mesures ont montré que les prédictions de la mécanique quantique correspondaient le mieux à nos résultats expérimentaux. Le test du Chi carré a donné des valeurs de 0.116 et 0.071, soit les écarts les plus faibles parmi les modèles testés.
La troisième série de mesures révèle une violation marquée des inégalités de Bell. Nous estimons une valeur CHSH de 2.56 ± 0.12, dépassant la limite classique de 2 établie dans la partie théorique avec une valeur-p négligeable. Une telle violation ne pouvant être expliquée par un modèle à variables cachées locales, ces théories sont exclues, excluant ainsi la localité de la nature.

Discussion

Les résultats obtenus indiquent que la mécanique quantique offre la meilleure description de la réalité parmi les modèles testés. Toutefois, notre expérience présente certaines limitations susceptibles d’affecter l’interprétation des résultats. La faille de détection et la faille de localité, détaillées dans notre travail, pourraient avoir contribué à la violation observée des inégalités de Bell sans que celle-ci résulte uniquement de la nature non locale de la mécanique quantique. Bien que ces effets ne remettent pas en cause nos conclusions, ils soulignent la nécessité d’améliorations expérimentales pour renforcer leur robustesse. Une version optimisée de l’expérience permettrait d’affiner ces conclusions.

Conclusions

Ce travail visait à évaluer expérimentalement si la nature respecte les principes de localité et de déterminisme ou si elle semble suivre les lois non locales de la mécanique quantique. Cela a nécessité une étude théorique préalable suivie de sa mise en œuvre expérimentale. Une analyse statistique rigoureuse a ensuite permis de garantir la fiabilité des conclusions.
Les résultats obtenus excluent toute explication locale et déterministe et corroborent les prédictions de la physique quantique.
Une future itération de l’expérience, optimisée pour minimiser la faille de localité et celle de détection, permettrait d’affiner ces conclusions et de consolider encore davantage notre compréhension des fondements de la mécanique quantique.

 

 

Appréciation de l’expert

Dr. Jef Pauwels

Le candidat présente une étude du théorème de Bell, qui démontre la nature non locale de la réalité prédite par la physique quantique. L› analyse théorique expose de manière accessible les fondements et le contexte historique. La partie expérimentale, basée sur une démonstration optique, démontre une solide maîtrise expérimentale et statistique. Les limites de l’expérience sont identifiées, et les conditions d’une violation significative des inégalités de Bell sont discutées. Un travail rigoureux, porté par une curiosité scientifique et une solide compréhension de concepts complexes.

Mention:

bien

 

 

 

Collège du Sud, Bulle
Enseignant: David Taj