Albert Einstein played a key role in launching quantum mechanics through his theory of the photoelectric effect but remained deeply bothered by its philosophical implications. And though most of us still remember him for deriving E=MC^2, his last great contribution to physics was actually a 1935 paper, coauthored with his young colleagues Boris Podolsky and Nathan Rosen. Regarded as an odd philosophical footnote well into the 1980s, this EPR paper has recently become central to a new understanding of quantum physics, with its description of a strange phenomenon now known as entangled states.
Albert Einstein a joué un rôle clé dans le lancement de la mécanique quantique grâce à sa théorie de l'effet photoélectrique mais est resté profondément perturbé par ses implications philosophiques. Bien que la plupart d'entre nous se souviennent encore de lui pour sa formule E = mc^2, sa dernière contribution majeure à la physique est en fait un article de 1935, coécrit avec ses jeunes collègues Boris Podolsky et Nathan Rosen. Considéré comme un article philosophique bizarre jusque dans les années 80, cet article EPR a pris une place centrale pour une nouvelle compréhension de la physique quantique, avec sa description d'un phénomène étrange maintenant connu sous le nom d'« états intriqués ».
The paper begins by considering a source that spits out pairs of particles, each with two measurable properties. Each of these measurements has two possible results of equal probability. Let's say zero or one for the first property, and A or B for the second. Once a measurement is performed, subsequent measurements of the same property in the same particle will yield the same result. The strange implication of this scenario is not only that the state of a single particle is indeterminate until it's measured, but that the measurement then determines the state.
L'article commence en considérant une source qui émet des paires de particules chacune avec deux propriétés mesurables. Chacune de ces mesures a deux résultats possibles de probabilité égale. Disons 0 ou 1 pour la première propriété, et A ou B pour la seconde. Une fois qu'une mesure est effectuée, des mesures ultérieures de la même la propriété pour la même particule donneront le même résultat. L'étrange implication de ce scénario est que, non seulement l'état de l'état d'une seule particule est indéterminé jusqu'à ce qu'il soit mesuré, mais que c'est la mesure qui détermine l'état.
What's more, the measurements affect each other. If you measure a particle as being in state 1, and follow it up with the second type of measurement, you'll have a 50% chance of getting either A or B, but if you then repeat the first measurement, you'll have a a 50% chance of getting zero even though the particle had already been measured at one. So switching the property being measured scrambles the original result, allowing for a new, random value.
De plus, les mesures s'influencent mutuellement. Si vous mesurez une particule comme étant dans l'état 1, et que vous poursuivez avec le deuxième type de mesure, vous aurez 50% de chance d'obtenir soit A soit B, mais si vous répétez ensuite la première mesure, vous aurez 50% de chance d'obtenir zéro même si la particule avait déjà été mesurée à 1. Donc, permuter la propriété étant mesurée redistribue les cartes, permettant une nouvelle valeur aléatoire.
Things get even stranger when you look at both particles. Each of the particles will produce random results, but if you compare the two, you will find that they are always perfectly correlated. For example, if both particles are measured at zero, the relationship will always hold. The states of the two are entangled. Measuring one will tell you the other with absolute certainty.
Les choses deviennent encore plus étranges quand vous observez les deux particules. Chacune des particules produira des résultats aléatoires, mais si vous comparez, vous verrez qu'ils sont toujours parfaitement corrélés. Par exemple, si les deux particules sont mesurées à zéro, la relation tiendra toujours. Les états des deux sont intriqués. La mesure de l'une vous donnera l'autre résultat avec une certitude absolue.
But this entanglement seems to defy Einstein's famous theory of relativity because there is nothing to limit the distance between particles. If you measure one in New York at noon, and the other in San Francisco a nanosecond later, they still give exactly the same result. But if the measurement does determine the value, then this would require one particle sending some sort of signal to the other at 13,000,000 times the speed of light, which according to relativity, is impossible. For this reason, Einstein dismissed entanglement as "spuckafte ferwirklung," or spooky action at a distance. He decided that quantum mechanics must be incomplete, a mere approximation of a deeper reality in which both particles have predetermined states that are hidden from us. Supporters of orthodox quantum theory lead by Niels Bohr maintained that quantum states really are fundamentally indeterminate, and entanglement allows the state of one particle to depend on that of its distant partner.
Mais cette intrication semble contredire la théorie de la relativité d'Einstein parce qu'il n'y a rien pour limiter la distance entre les particules. Si vous en mesurez une à New York à midi, et l'autre à San Francisco une nanoseconde plus tard, ils donnent toujours exactement le même résultat. Mais si la mesure détermine la valeur, alors cela nécessiterait qu'une particule envoie une sorte de signal à l'autre à 13 000 000 fois la vitesse de la lumière, ce qui, selon la relativité, est impossible. Pour cette raison, Einstein a rejeté l'intrication comme « ferwirklung spuckafte » ou « action fantôme à distance ». Il a pensé que la mécanique quantique devait forcément être incomplète, une simple approximation d'une réalité plus profonde dans laquelle les deux particules ont des états prédéterminés inconnus de nous. Menés par Niels Bohr, les partisans de la théorie quantique orthodoxe ont soutenu que les états quantiques sont fondamentalement indéterminés, et que l'intrication permet à l'état d'une particule de dépendre de celui de son partenaire distant.
For 30 years, physics remained at an impasse, until John Bell figured out that the key to testing the EPR argument was to look at cases involving different measurements on the two particles. The local hidden variable theories favored by Einstein, Podolsky and Rosen, strictly limited how often you could get results like 1A or B0 because the outcomes would have to be defined in advance. Bell showed that the purely quantum approach, where the state is truly indeterminate until measured, has different limits and predicts mixed measurement results that are impossible in the predetermined scenario. Once Bell had worked out how to test the EPR argument, physicists went out and did it.
Depuis 30 ans, la physique est restée dans une impasse, jusqu'à ce que John Bell ait compris que la clé pour tester l'argument EPR était d'examiner des cas impliquant différentes mesures sur les deux particules. Les théories de variables locales cachées favorisées par Einstein, Podolsky et Rosen limitent strictement le nombre de fois où vous pouvez obtenir des résultats comme 1A ou B0 parce que les résultats devraient être définis à l'avance. Bell a montré que l'approche purement quantique, où l'état est vraiment indéterminé jusqu'à la mesure, a des limites différentes et prédit des résultats de mesure mixtes qui sont impossibles dans le cas d'un scénario prédéterminé. Une fois que Bell a trouvé la façon de tester l'argument EPR les physiciens l'ont mis à l'épreuve.
Beginning with John Clauster in the 70s and Alain Aspect in the early 80s, dozens of experiments have tested the EPR prediction, and all have found the same thing: quantum mechanics is correct. The correlations between the indeterminate states of entangled particles are real and cannot be explained by any deeper variable. The EPR paper turned out to be wrong but brilliantly so. By leading physicists to think deeply about the foundations of quantum physics, it led to further elaboration of the theory and helped launch research into subjects like quantum information, now a thriving field with the potential to develop computers of unparalleled power.
A commencer par John Clauster dans les années 70, puis Alain Aspect au début des années 80, des dizaines d'expériences ont testé la prédiction EPR, et toutes ont conduit au même résultat : la mécanique quantique est correcte. Les corrélations entre les états indéterminés de particules intriquées sont réels et ne peuvent être expliqués par une variable cachée. L'argument EPR se est avéré être faux mais avec brio ! En forçant les physiciens à réfléchir profondément sur les fondements de la physique quantique, elle a conduit à poursuivre l'élaboration de la théorie et a aidé au lancement de la recherche sur un sujet comme l'information quantique un champ florissant de la recherche, avec le potentiel de développer
Unfortunately, the randomness of the measured results prevents science fiction scenarios, like using entangled particles to send messages faster than light. So relativity is safe, for now. But the quantum universe is far stranger than Einstein wanted to believe.
des ordinateurs d'une puissance inégalée. Malheureusement, le caractère aléatoire des résultats mesurés empêche les scénarios de science-fiction, comme l'utilisation de particules intriquées pour envoyer des messages plus vite que la lumière. Donc, la relativité est préservée... pour l'instant.