Une étude publiée récemment dans la revue Physical Review Letters (PRL), intitulée Extending the Known Region of Nonlocal Boxes that Collapse Communication Complexity, révèle que plusieurs extensions théoriques de la théorie quantique sont considérées comme non physiques à la lumière du principe de complexité de la communication non triviale. Ces extensions de la théorie quantique peuvent être symbolisées par un ensemble de boîtes non locales, des dispositifs théoriques servant à illustrer certains aspects de l’intrication et de la non-localité quantiques. L’étude a été menée par Anne Broadbent, professeure titulaire et directrice d’une chaire de recherche au Département de mathématiques et de statistique de l’Université d’Ottawa, avec Pierre Botteron, doctorant de l’Université de Toulouse (France) et étudiant chercheur invité à l’Université d’Ottawa, et Marc-Olivier Proulx, détenteur d’une maîtrise ès sciences du Département de physique de l’Université d’Ottawa.
Les principes de la mécanique quantique sont le cadre de référence usuel pour comprendre le comportement des particules et l’intrication quantique. Cependant, la borne de Tsirelson (concept de physique quantique relatif aux corrélations entre particules distantes – lien en anglais) et les restrictions qu’elle impose ont conduit les scientifiques à envisager la possibilité d’une théorie plus large. Les boîtes non locales, des extensions théoriques de la théorie quantique, ont été créées pour explorer une représentation plus globale de l’univers. Ces travaux consistent à utiliser la complexité de la communication non triviale pour évaluer la faisabilité des boîtes non locales.
« Notre étude élargit les connaissances sur les contraintes et les limites des extensions de la théorie quantique et éclaircit les énigmes de l’intrication quantique »
Anne Broadbent
— Professeure titulaire et directrice d’une chaire de recherche au Département de mathématiques
« Notre étude élargit les connaissances sur les contraintes et les limites des extensions de la théorie quantique et éclaircit les énigmes de l’intrication quantique », explique la professeure Broadbent.
L’intrication quantique, un phénomène fascinant décrit par la mécanique quantique, est un sujet de premier plan dans la communauté scientifique. Le prix Nobel 2022 a été décerné à Alain Aspect, John F. Clauser et Anton Zeilinger pour leurs expériences révolutionnaires sur les photons intriqués, établissant les violations des inégalités de Bell et ouvrant une voie pionnière vers l’informatique quantique. Malgré la puissance de la mécanique quantique, la borne de Tsirelson incite à se demander s’il existe une théorie plus complète pour décrire précisément le monde naturel. Cette étude explore les boîtes non locales comme généralisations potentielles de la mécanique quantique dans le but de déterminer leur réalisabilité physique.
Ces travaux ont commencé en 2018 avec la thèse de maîtrise de Marc-Olivier Proulx (lien en anglais), dirigée par la professeure Anne Broadbent à l’Université d’Ottawa et co-dirigée par le regretté professeur David Poulin de l’Université de Sherbrooke. Cette publication a motivé Pierre Botteron, doctorant sous la direction de la professeure Broadbent, à collaborer avec Marc-Olivier Proulx pour approfondir le sujet des boîtes non locales et le postulat de la complexité de la communication non triviale. Leur investigation a fait appel à l’analyse théorique et à une modélisation mathématique rigoureuse fondée sur des cadres et des principes de mécanique quantique établis.
« Notre étude révèle que de nombreuses généralisations théoriques de la théorie quantique, représentées par différentes familles de boîtes non locales, sont considérées comme non physiques quand on les soumet au postulat de la complexité de la communication non triviale. Ces résultats permettent de mieux comprendre les limites d'une généralisation à la mécanique quantique et apportent des indications précieuses sur la nature de l’intrication quantique », explique la professeure Broadbent.
L’exploration des boîtes non locales comme généralisation de la mécanique quantique a permis de mieux appréhender les limites de la théorie quantique. En examinant le postulat de la complexité de la communication non triviale, les scientifiques de l’Université d’Ottawa ont découvert un éventail plus large de généralisations catégorisées comme non physiques. Cette étude ouvre la voie à des avancées en informatique quantique et approfondit nos connaissances sur le phénomène d’intrication quantique.