Découverte d’une nouvelle connexion entre deux phénomènes quantiques étranges – superposition et intrication

Une nouvelle connexion découverte entre deux phénomènes quantiques étranges – la superposition et l’intrication – avec des implications pour la cryptographie ultra-sécurisée.

Un principe d’équivalence « au-delà du quantique » pour la superposition et l’intrication.

Une étude financée par le Foundational Questions Institute (FQXi) a révélé un nouveau lien entre deux phénomènes quantiques étranges – la superposition et l’intrication – avec des implications pour la cryptographie ultra-sécurisée.

La physique du microdomaine intègre deux concepts bien connus et bizarres : le premier est qu’avant l’observation, il est impossible de connaître avec certitude le résultat d’une mesure sur une particule ; la particule existe plutôt dans une «superposition» comprenant de nombreux états mutuellement exclusifs. Ainsi, une particule peut se trouver à deux endroits ou plus en même temps, et vous ne pouvez calculer la probabilité de la trouver à un certain endroit que lorsque vous regardez. Le second implique «l’enchevêtrement», le lien effrayant qui peut unir deux objets, quelle que soit leur distance physique. La théorie quantique décrit mathématiquement à la fois la superposition et l’intrication.

Mais de nombreux physiciens pensent que la théorie ultime de la réalité pourrait se situer au-delà de la théorie quantique. Maintenant, une équipe de physiciens et de mathématiciens a trouvé un nouveau lien entre ces deux propriétés étranges qui ne suppose pas que la théorie quantique est correcte. Leur étude de recherche a été publiée dans Lettres d’examen physique et a été sélectionné comme suggestion des éditeurs par la revue.

L'intrication et la superposition sont équivalentes

Un nouveau lien entre l’intrication et la superposition dans toute théorie physique a été découvert, ce qui permet de confirmer que la distribution de clés secrètes dans les protocoles cryptographiques quantiques actuels fonctionnera, même si la théorie quantique est incorrecte et doit être remplacée par une théorie plus fondamentale, “au-delà du quantique”. . Crédit : Ludovico Lamic

“Nous étions vraiment ravis de trouver cette nouvelle connexion qui va au-delà de la théorie quantique, car la connexion sera valable même pour des théories plus exotiques qui restent à découvrir”, déclare Ludovico Lami, membre du groupe de réflexion sur la physique, les questions fondamentales. Institute, FQXi, et physicien à l’Université d’Ulm, en Allemagne. “Ceci est également important car il est indépendant du formalisme mathématique de la théorie quantique et n’utilise que des notions avec une interprétation opérationnelle immédiate”, ajoute-t-il. Lami a co-écrit l’étude avec Guillaume Aubrun de l’Université Claude Bernard Lyon 1, en France, Carlos Palazuelos, de l’Université Complutense de Madrid, en Espagne, et Martin Plávala, de l’Université de Siegen, en Allemagne.

Alors que la théorie quantique s’est avérée être un succès suprême depuis son développement il y a un siècle, les physiciens ont eu du mal à l’unifier avec la gravité pour créer une « théorie du tout » globale. Cela suggère que la théorie quantique n’est peut-être pas le dernier mot pour décrire la réalité, inspirant les physiciens à rechercher un cadre plus fondamental. Mais toute théorie ultime de ce type doit toujours incorporer la superposition, l’intrication et la nature probabiliste de la réalité, puisque ces caractéristiques ont été confirmées à maintes reprises par des tests en laboratoire. L’interprétation de ces expériences ne dépend pas de l’exactitude de la théorie quantique, note Lami.

Cryptographie quantique

Il y a aussi des implications pratiques. L’intrication quantique joue un rôle clé dans la conception des ordinateurs quantiques – des machines qui pourraient surpasser les ordinateurs standard dans certaines tâches – et dans les protocoles cryptographiques quantiques, qui sont déjà utilisés et exploitent les règles quantiques pour fournir une communication ultra-sécurisée à travers des canaux qui, en théorie , sont immunisés contre le piratage. Mais si la théorie quantique devait éventuellement être remplacée par une autre théorie plus fondamentale à l’avenir, découvrirons-nous que ces règles n’étaient pas vraiment valides ou que ces protocoles cryptographiques ne sont pas sécurisés comme promis ?

Le problème est que pour le savoir, vous devez analyser la superposition et l’intrication en termes de théorie générale – et encore inconnue – sans utiliser les mathématiques de la théorie quantique. Comment peux-tu faire ça? Lami et ses collègues ont résolu ce casse-tête en étudiant les « théories probabilistes générales » plutôt que la théorie quantique. La recherche a été financée en partie grâce à une subvention que Lami et d’autres ont reçue du Foundational Questions Institute, FQXi, pour étudier les caractéristiques et les limites de l’intelligence dans les théories probabilistes généralisées, leur permettant d’examiner comment l’information est traitée dans le classique abstrait, quantique et systèmes « au-delà du quantique ».

“Cette bourse FQXi m’a donné la chance de réfléchir de plus près à certaines caractéristiques universelles du traitement de l’information dans les théories au-delà de la mécanique quantique, modélisées mathématiquement par des théories probabilistes générales”, déclare Lami. “Et l’exemple primitif cryptographique que nous étudions, la distribution de clés secrètes, est l’une des tâches les plus simples où ce formalisme peut être appliqué.”

Dans le nouvel article, publié dans la revue Lettres d’examen physique, l’équipe a montré que deux théories physiques présentent une intrication lorsqu’elles sont combinées, si et seulement si elles présentent toutes deux des superpositions locales. Cela signifie que l’intrication et la superposition sont équivalentes dans toute théorie physique, pas seulement dans la théorie quantique. Ils ont également calculé que dans les systèmes où cette équivalence tient, qu’ils soient quantiques ou au-delà du quantique, les lois de la théorie peuvent être exploitées pour un chiffrement ultra-sécurisé. En particulier, l’équipe a montré qu’un certain protocole cryptographique quantique populaire, connu sous le nom de “BB84”, fonctionnera toujours, même si un jour on découvre que la théorie quantique n’est pas entièrement correcte et doit être remplacée par une théorie plus fondamentale.

“Il est en quelque sorte rassurant de savoir que la cryptographie est vraiment une caractéristique de toutes les théories non classiques, et pas seulement une bizarrerie quantique, car beaucoup d’entre nous pensent que la théorie ultime de la nature sera probablement non classique”, déclare Lami. “Même si un jour nous trouvions que la théorie quantique était incorrecte, nous saurons toujours que la distribution de clés secrètes peut en principe fonctionner.”

Référence : “Entanglement and Superposition Are Equivalent Concepts in Any Physical Theory” par Guillaume Aubrun, Ludovico Lami, Carlos Palazuelos et Martin Plávala, 22 avril 2022, Lettres d’examen physique
DOI : 10.1103/PhysRevLett.128.160402

Ce travail a été partiellement soutenu par le programme Intelligence in the Physical World de FQXi.

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