Imaginez deux particules séparées par des milliards de kilomètres qui, pourtant, semblent communiquer instantanément. Mesurez l’une, et l’autre « sait » immédiatement ce qui s’est passé, sans aucun signal visible, sans aucune vitesse finie. C’est ce phénomène étrange, presque magique, que l’on appelle l’intrication quantique (ou en anglais quantum entanglement).
Décrit pour la première fois dans les années 1930, il reste l’un des aspects les plus troublants et les plus fascinants de la mécanique quantique. Pour comprendre cet article, vous allez devoir balayer quelques notions établies et penser « out of the box », et de mon côté je vais devoir… vulgariser au maximum.
1. Comment cela a commencé : Einstein, Podolsky, rosen et le paradoxe EPR
En 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen publient un article célèbre intitulé « Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? ». Ils y décrivent une situation (aujourd’hui appelée paradoxe EPR, avec leurs initiales de nom de famille) où deux particules interagissent brièvement, puis s’éloignent à des distances arbitraires. Selon la mécanique quantique, si l’on mesure une propriété de la première particule, l’état de la seconde est instantanément déterminé, même si elle se trouve à l’autre bout de l’univers.
Einstein fut profondément choqué. Pour lui, cela violait le principe selon lequel aucune influence ne peut se propager plus vite que la lumière (la célérité de la lumière dans le vide = 299 792 458 m/s soit environ 300 000 km/s). Il qualifia ce phénomène d’« action fantomatique à distance » (spooky action at a distance) et y vit une preuve que la mécanique quantique était incomplète : il devait exister des « variables cachées » locales qui expliqueraient les corrélations sans avoir besoin d’une communication instantanée.
2. Qu’est-ce que l’intrication ?
L’intrication est un état quantique où deux (ou plusieurs) particules n’ont plus d’état individuel bien défini : leur description n’est possible que globalement. Exemple classique : prenons deux électrons intriqués de telle sorte que leurs spins sont anticorrelés (l’un est « haut », l’autre est forcément « bas » si on les mesure selon le même axe). Avant toute mesure, aucun des deux n’a de spin déterminé : chacun est dans une superposition (haut + bas). Mais dès qu’on mesure le premier et qu’on trouve « haut », le second devient instantanément « bas », où qu’il soit : les particules ne sont plus séparables.
Attention l’intrication se produit dans des conditions bien spécifiques : ce n’est pas parce que vos atomes d’être humain ont rencontré les atomes de quelqu’un d’autre (serrage de main, bise, rapprochement) que vous êtes intriqués à jamais ! (Fort heureusement !)
Pour intriquer deux particules, il faut :
- une interaction très contrôlée (ex : création de paires de photons dans un cristal non linéaire, refroidissement d’atomes à quelques microkelvins, etc.)
- un isolement presque parfait du reste du monde.
Dans un corps humain, les milliards de particules (électrons, photons, quarks…) interagissent chaotiquement avec l’environnement à chaque nanoseconde : l’air, la lumière, la chaleur, les autres atomes… Cette interaction s’appelle la décohérence quantique.
La décohérence tue l’intrication en une fraction de seconde. Dès qu’une particule intriquée « parle » à une troisième particule (et dans le corps humain, cela arrive tout le temps), l’intrication se « répand » dans l’environnement et devient totalement indétectable.
Techniquement, l’état global reste intriqué… mais entre des milliards de milliards de particules (l’humain + l’autre humain + l’air + la pièce + la Terre…). L’intrication entre deux électrons précis est diluée à un niveau 10⁻⁴⁰ voire davantage : c’est comme chercher une goutte d’eau précise dans tous les océans du monde. À température ambiante, le temps de décohérence pour deux électrons ou deux atomes est de l’ordre de 10⁻¹⁶ à 10⁻²⁰ seconde. Autrement dit : l’intrication est diluée quasi instantanément.
3. Bell met Einstein à l’épreuve
En 1964, John Stewart Bell (physicien nord-irlandais) a publié un article de seulement 3 pages qui est devenu l’un des plus importants de toute l’histoire de la physique.
Il y a répondu à la question posée par Einstein en 1935 : « Est-ce que la mécanique quantique est incomplète ? Y a-t-il des variables cachées locales qui pourraient expliquer les corrélations sans action fantomatique à distance ? ».
Bell a montré que non, c’est impossible. Voici exactement ce qu’il a fait. Imaginons deux particules intriquées (comme dans le paradoxe EPR) dont on mesure le spin selon différents axes.
On choisit trois directions de mesure possibles : A, B et C (par exemple à 0°, 120° et 240° l’une de l’autre). Bell a démontré que toute théorie à variables cachées locales (c’est-à-dire une théorie où chaque particule porte en elle, dès le départ, des instructions déterministes sur ce qu’elle fera dans toutes les situations possibles, sans communication instantanée – hypothèse d’Einstein) doit obligatoirement respecter une inégalité mathématique sur les corrélations mesurées.
Bell a démontré qu’on ne peut pas expliquer l’intrication quantique par des causes locales préexistantes : il faut soit abandonner le réalisme (les particules n’ont pas de propriétés définies avant mesure), soit abandonner la localité (il existe des corrélations instantanées à distance). C’est pour ça qu’on dit que les expériences de Bell sont « les expériences les plus profondes de toute la science » (selon certains physiciens comme Anton Zeilinger). Elles ont littéralement forcé l’Univers à choisir son camp… et il a choisi le camp quantique, contre l’intuition d’Einstein. Donc merci John Bell : en 3 pages, il a prouvé que le monde est beaucoup plus étrange que ce qu’Einstein voulait bien accepter.
Toutes les expériences réalisées depuis (Alain Aspect en 1982, Anton Zeilinger, John Clauser et al. jusqu’aux expériences « loophole-free » de 2015-2017, puis les expériences cosmiques avec la lumière de quasars à 7,8 milliards d’années-lumière en 2018) violent systématiquement les inégalités de Bell et confirment la mécanique quantique.
→ Il n’existe pas de variables cachées locales, l’intuition d’Einstein était erronée. L’intrication est réelle. Clauser, Aspect et Zeilinger ont d’ailleurs reçu le prix Nobel de physique 2022 pour ces travaux.
4. Que cela implique-t-il vraiment ?
a) La non-localité quantique
L’intrication montre que l’univers n’est pas « local » au sens classique : deux systèmes intriqués forment un tout indivisible, même séparés par des distances énormes. Il n’y a pas de « signal » plus rapide que la lumière (on ne peut pas transmettre d’information utilisable plus vite que la célérité), et les corrélations sont instantanées par un phénomène observable mais non explicable avec notre physique actuelle. Cela peut supposer également que la distance n’existe pas au sens fondamental du terme : elle ne serait pas une donnée immuable, mais peut-être une conséquence qui émerge d’autre chose. La séparation spatiale ne serait qu’une illusion émergente si par exemple, deux particules intriquées sont connectées par un pont d’Einstein Rosen (un trou de ver).
b) Le rôle de l’observateur / le collapse de la fonction d’onde
Quand on mesure une particule intriquée, c’est comme si la fonction d’onde du système entier « s’effondrait » instantanément partout (= collapse). Cela pose des questions philosophiques profondes et les théories se multiplient (interprétation de Copenhague, Everett et les mondes multiples, QBisme, etc.). A l’heure actuelle, il n’existe aucun consensus sur ce qu’est vraiment une mesure ni sur le fait que le collapse soit un phénomène physique réel, ou juste une illusion.
c) Et dans notre quotidien ?
Directement, presque rien. L’intrication est extrêmement fragile : dès qu’une particule interagit avec son environnement (décohérence), elle perd son état intriqué. C’est pourquoi on ne voit jamais de chats à la fois morts et vivants (le célèbre chat de Schrödinger, qui était justement une critique ironique de l’intrication et du collapse).
1. On met un chat dans une boîte fermée (on ne peut pas le voir).
2. Dans la boîte, il y a : une particule radioactive qui a 50 % de chance de se désintégrer en 1 heure,
un compteur qui détecte si elle se désintègre, et un flacon de poison qui se casse et tue le chat seulement si la particule s’est désintégrée.
3. Selon la mécanique quantique : tant qu’on n’ouvre pas la boîte, la particule est à la fois désintégrée ET pas désintégrée (superposition).
4. Donc le flacon est à la fois cassé ET pas cassé → le chat est à la fois mort ET vivant en même temps.
5. Dès qu’on ouvre la boîte et qu’on regarde, on voit soit un chat mort, soit un chat vivant. Le simple fait de regarder a forcé la réalité à choisir.
Conclusion : « Tant qu’on ne regarde pas, le chat est mort et vivant en même temps. Dès qu’on regarde, il devient soit l’un, soit l’autre. » C’est le paradoxe : la mécanique quantique dit que cela marche de cette façon pour les particules… mais c’est absurde pour un chat.
Schrödinger a inventé cette histoire en 1935 justement pour dire : « Vous voyez bien que quelque chose cloche dans la théorie quand on l’applique aux objets du quotidien ! »
Indirectement, l’intrication commence à pénétrer notre technologie :
- Cryptographie quantique (protocole BB84, puis QKD avec intrication comme E91) : on peut détecter tout espion grâce à la violation des inégalités de Bell.
- Téléportation quantique : les Chinois ont téléporté l’état d’un photon sur plus de 1 200 km (satellite Micius, 2017).
- Ordinateurs quantiques : les qubits (bits quantiques) supraconducteurs ou ioniques de Google, IBM, IonQ, etc. utilisent massivement l’intrication pour effectuer des calculs impossibles classiquement. Les qubits peuvent représenter à la fois 0 et 1, contrairement aux ordinateurs classiques qui utilisent des bits 0 ou 1. Ils effectuent plusieurs calculs en même temps grâce à leur état superposé, accélérant la résolution de problèmes complexes.
- Capteurs quantiques ultra précis (horloges atomiques, interféromètres pour détecter les ondes gravitationnelles avec LIGO).
5. Et dans l’univers entier ?
Plusieurs physiciens (Juan Maldacena, Leonard Susskind, ER=EPR…) proposent que l’intrication soit le tissu même de l’espace-temps. L’hypothèse ER=EPR suggère que deux trous noirs intriqués pourraient être connectés par un pont d’Einstein-Rosen (un « trou de ver »). L’espace-temps émergerait de l’intrication quantique entre degrés de liberté sous-jacents (un peu comme la température émerge du mouvement brownien des molécules). En cosmologie, certains pensent que l’inflation quantique à l’origine de l’Univers a pu créer une intrication massive entre régions aujourd’hui séparées par des distances cosmologiques : l’Univers entier pourrait être un gigantesque état intriqué, c’est-à-dire UN GRAND TOUT, le Un, l’Unique (hypothèse défendue par Carlo Rovelli, Chris Fields, certains chercheurs en AdS/CFT) ou au contraire… un multivers (hypothèse de Sean Carroll, David Deutsch, Max Tegmark) !
6. En résumé
L’intrication nous dit que, dans le monde quantique, deux particules ayant dansé ensemble gardent à jamais une part de leur âme commune, même si elles s’éloignent jusqu’aux confins du cosmos. L’Univers n’est pas fait d’objets séparés flottant dans le vide ; il est tissé d’une toile invisible de corrélations qui défient l’espace et le temps tels que nous les concevons. Et c’est peut-être la plus belle et la plus dérangeante leçon de la physique du XXe siècle : la réalité profonde, pas celle qu’on perçoit maladroitement avec nos sens, est fondamentalement relationnelle, et informationnelle.
Bref, les partisans de Saint-Thomas, « qui ne croient que ce qu’ils voient », ont du soucis à se faire…