Qu'est-ce que l'intrication quantique ?

L’intrication quantique décrit une situation dans laquelle deux particules, ou plus généralement deux systèmes quantiques, ne peuvent plus être décrits comme des objets entièrement indépendants. Leurs propriétés sont liées par un même état quantique : lorsque certaines mesures sont effectuées sur chacune d’elles, leurs résultats présentent des corrélations plus fortes que celles que permettraient des systèmes classiques dotés de propriétés préexistantes. Ces corrélations peuvent subsister même lorsque les particules sont très éloignées l’une de l’autre. Elles ne constituent toutefois pas un moyen de communication instantanée : l’intrication ne permet pas de transmettre une information plus vite que la lumière.

Un paradoxe devenu phénomène mesurable

L’intrication a été discutée de manière célèbre dans l’article publié en 1935 par Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen, connu sous le nom de paradoxe EPR. Ces auteurs s’interrogeaient sur le caractère complet de la mécanique quantique : selon eux, si la mesure d’une particule permet de prévoir celle d’une autre très éloignée, il semblait nécessaire que les deux particules possèdent déjà certaines propriétés ou qu’une influence se propage entre elles. Einstein a décrit cette difficulté par l’expression allemande « spukhafte Fernwirkung », souvent traduite par « action fantôme à distance ». En 1964, John Bell a formulé des inégalités permettant de distinguer les prédictions de la mécanique quantique de celles des théories fondées sur des variables cachées locales. Des expériences menées notamment par John Clauser et Alain Aspect ont ensuite montré que les corrélations observées sont conformes aux prédictions quantiques et ne s’expliquent pas par un modèle local classique simple.

Des corrélations, pas un message instantané

Pour comprendre l’intrication, on peut considérer une paire de photons préparés dans un état commun, puis mesurer une propriété comme leur polarisation. Le résultat obtenu pour chaque photon pris isolément est imprévisible, mais les résultats des deux mesures sont corrélés selon l’état préparé et selon les orientations des appareils de mesure. La mesure du premier système permet donc de connaître les corrélations attendues avec le second, même si celui-ci se trouve à grande distance. Il serait cependant incorrect de dire qu’une particule envoie instantanément une instruction à l’autre. L’expérimentateur ne peut pas choisir le résultat individuel de sa mesure pour coder un message. De son côté, l’observateur distant ne voit qu’une suite de résultats aléatoires ; il ne peut mettre en évidence la corrélation qu’en comparant ensuite les données par un moyen de communication classique. L’intrication respecte ainsi l’impossibilité opérationnelle de transmettre une information plus vite que la lumière.

Un rôle dans les technologies quantiques

L’intrication est devenue une ressource importante pour plusieurs technologies quantiques. Dans certaines formes de cryptographie quantique, ou plus précisément de distribution quantique de clés, les corrélations entre systèmes intriqués peuvent servir à vérifier la présence éventuelle d’une interception et à évaluer la fiabilité de la clé produite. Il ne s’agit pas pour autant d’un chiffrement automatiquement « inviolable » : la sécurité dépend du protocole utilisé, de ses hypothèses et de la qualité de sa mise en œuvre. En informatique quantique, l’intrication entre qubits peut être exploitée par des algorithmes et des protocoles quantiques, mais elle ne se confond pas avec la superposition, qui est une autre propriété de ces systèmes. Elle intervient également dans la téléportation quantique, qui transfère un état quantique grâce à une intrication partagée et à l’envoi d’informations classiques ; là encore, aucun transfert instantané d’information n’est réalisé. L’intrication constitue donc à la fois un résultat expérimental majeur et un élément central de nombreuses recherches sur les réseaux et le calcul quantiques.