Mécanique quantique et thermodynamique peuvent en réalité coexister

Une énigme scientifique majeure, l’apparente contradiction entre la mécanique quantique et la thermodynamique, a été dévoilée grâce à l’utilisation innovante de photons dans une puce optique.

L’équipe de chercheurs de l’Université de Twente (UT) a démontré que ces deux théories, bien qu’elles semblent contradictoires, peuvent en réalité coexister. Cette découverte a été publiée dans la prestigieuse revue Nature Communications.

En mécanique quantique, la notion du temps est réversible et l’information est toujours préservée. C’est-à-dire qu’il est toujours possible de retracer l’état précédent des particules. Cette caractéristique semble en contradiction avec les principes de la thermodynamique, où le temps a une direction et où l’information peut être perdue.

« Imaginez deux photographies que vous laissez au soleil pendant une période prolongée, après un certain temps, vous ne pouvez plus les distinguer« , explique l’auteur Jelmer Renema.

La résolution du casse-tête quantique

Bien qu’une solution théorique à ce puzzle quantique existait déjà, ainsi qu’une expérience avec des atomes, les chercheurs de l’UT ont désormais également démontré la cohabitation de ces théories avec des photons. “Les photons ont l’avantage qu’il est assez facile de renverser le temps avec eux”, commente encore Jelmer Renema.

Dans l’expérience, les chercheurs ont utilisé une puce optique dotée de canaux à travers lesquels les photons pouvaient passer.

Enchevêtrement des sous-systèmes

“Quand nous avons observé les canaux individuels, ils obéissaient aux lois de la thermodynamique et créaient du désordre. Basé sur des mesures sur un canal, nous ne savions pas combien de photons étaient encore dans ce canal, mais le système global était en accord avec la mécanique quantique”, précise J. Renema.

Les différents canaux, également connus sous le nom de sous-systèmes, étaient enchevêtrés. L’information manquante dans un sous-système ‘disparaît’ vers l’autre sous-système.

En synthèse

Cette découverte est un pas en avant significatif dans notre compréhension des lois fondamentales de l’univers. Elle met en lumière le potentiel inexploré de la cohabitation entre mécanique quantique et thermodynamique, tout en soulignant la complexité des lois régissant notre monde.

Pour une meilleure compréhension

Qui est Dr. Jelmer Renema?

Dr. Jelmer Renema est professeur adjoint dans le groupe de recherche Adaptive Quantum Optics. Il est également l’un des scientifiques de l’Université de Twente. Il a réalisé cette recherche avec une équipe, dont le groupe de recherche du Prof. Dr. Jens Eisert de la Freie Universität Berlin, qui a joué un rôle important dans la démonstration de la réversibilité de l’expérience.

Qu’est-ce qu’une puce optique?

Une puce optique est un dispositif qui utilise des photons, les particules élémentaires de la lumière, pour traiter et transmettre des informations. Les puces optiques sont utilisées dans diverses applications, comme les communications et la détection.

Quelle est la signification de l’ « enchevêtrement » ?

L’enchevêtrement est un phénomène de la mécanique quantique où deux particules ou plus deviennent intrinsèquement liées, quelles que soient les distances qui les séparent. L’état de l’une des particules est instantanément lié à l’état de l’autre, même à des distances cosmiques.

DOI: 10.1038/s41467-023-38413-9

Légende illustration principale : une expérience révolutionnaire menée à l’université de Twente démontre la coexistence de la mécanique quantique et de la thermodynamique