Intrication quantique
esum´e
Le ph´enom`ene dit intrication est au coeur de la m´ecanique quantique. Il n’existe pas en
m´ecanique classique. L’objet de cette note est de montrer cependant comment un syst`eme phy-
sique d´eterministe peut engendrer une intrication et quelles sont les particularit´es descriptives
du syst`eme physique qui rendent ceci possible. Cette analyse repose en partie sur le principe
d’incertitude de Heisenberg, selon lequel l’´energie d’un syst`eme physique et la date `a laquelle
il poss`ede cette ´energie ne peuvent pas ˆetre d´etermin´es exactement ensemble. Nous pr´esentons
cette analyse en nous servant du vocabulaire, qubits, Qbits et Cbits, usuel en calculs et algo-
rithmes quantiques.
1 Introduction
1.1 Remarque pr´eliminaire
Le vocabulaire scientifique n’est pas sans importance. Certes, Hilbert a pu avancer l’id´ee qu’une
g´eom´etrie dans laquelle le point serait d´esign´e par le mot ”table” et la droite par le mot ”chaise”
pourrait ˆetre tout `a fait satisfaisante au regard d’une construction logique. Cependant, l’imagination
cr´eatrice, dans la constructions d’une science, est aussi indispensable que la logique et elle s’appuie
sur la puissance du vocabulaire.
Le vocabulaire utilis´e en mati`ere de physique quantique (par exemple bra et ket) est parti-
culi`erement faible parce qu’il ne fait pas appel aux vocables du langage qui seraient adapt´es. La
raison en est toute simple. La physique quantique, h´eriti`ere de la physique classique, a repris son
vocabulaire. Or la physique classique repose sur des syst`emes diff´erentiables de caract`eres continus,
tels que des positions ou des impulsions tandis que la physique quantique est domin´e par le quantum
d’action hde Planck, omnipr´esent.
Le calcul num´erique est essentiellement discret, au sens ou il est domin´e par des nombres entiers.
Le concept de ”qubit” est un concept commode bien adapt´e `a la m´ecanique quantique.
1.2 efinition des Cbits et des Qbits
Le ”bit” est un nombre qui n’a que deux valeurs, 0 ou 1. Un nombre entier ´ecrit en ”binaire”ou
num´eration de base 2 est une suite de bits juxtapos´es. Soit bjles termes d’une telle suite, j=
1,2, ..., n. On retient en g´en´eral comme valeur du nombre Nd´efini par la suite bj,N=Pn
j=1 bj.2nj
avec la convention usuelle 20= 1. Les termes de la suite de moindre poids sont donc en queue de
liste. La suite bjest parfois d´esign´ee ”registre”, disons Rn,nrappelant seulement le nombre de
termes de la suite. Un mˆeme nombre peut ˆetre ´ecrit dans divers registres de dimensions ndistinctes
par introduction de bits nuls en tˆete de liste. Un registre est certes un nombre ´ecrit en binaire mais
il peut ˆetre l’image de termes divers ayant un tout autre sens.
Le ”qubit” est l’´etat observable d’un syst`eme physique quantique qui, lorsqu’il est observ´e, on dit
aussi mesur´e, ne prend que deux aspects, l’un caract´eris´e conventionnellement par 0 et l’autre par
1
1. Avant mesure, l’´etat, quantique, est dit superpos´e. Tous les syst`emes physiques microscopiques
sont domin´es par le caract`ere discret de leurs ´etats observables, des ´etats quantiques.
Nota : les ´etats superpos´es ne jouent aucun rˆole dans ce qui suit.
Dans le cas d’un syst`eme `a un seul qubit, l’issue de la mesure, 0 ou 1, est la valeur de la variable
al´eatoire de Bernoulli Bayant la loi de probabilit´e d´efinie par P(B= 0) = z,P(B= 1) = 1 z,
06z61, z nombre r´eel. Soit αet βdeux nombres complexes, dits amplitudes de probabilit´e,
v´erifiant la relation de normalisation α.α+β= 1. La probabilit´e zest le produit α.αde α
par sa valeur conjugu´ee α,id est le carr´e |α|2du module |α|du nombre complexe α. Les nombres
complexes αet βne jouent aucun rˆole dans ce qui suit.
Nous adoptons la suggestion de D. Mermin [1] de substituer le vocable Qbit au vocable qubit.
Nous retenons le vocable Cbit sugg´er´e ´egalement par Mermin, mais nous lui donnerons un sens
diff´erent. Selon Mermin, le Cbit est un bit classique distinct du bit quantique ou Qbit. (Les lettres
Q et C sont en tˆete, conform´ement `a une longue tradition d´ej`a observ´ee finement par le gaulois
Ast´erix, `a propos des l´egions romaines abordant la Grande Bretagne comme romaines l´egions.)
Nous conservons le vocable bit avec son sens usuel sans le doubler par Cbit.
Nous d´efinissons comme suit le Cbit ou bit horloger : Le Cbit est la variable al´eatoire de Bernoulli,
B, ayant la loi de probabilit´e d´efinie par P(B= 0) = p,P(B= 1) = 1 p, 0 6p61, p nombre
r´eel. Soit une horloge dont l’extr´emit´e du balancier se d´eplace devant un arc de cercle, ´eventuellement
gradu´e, portant un curseur, situ´e entre les deux points hauts atteints par le balancier, disons l’un `a
gauche, l’autre `a droite du point bas. Soit une date tal´eatoire quelconque. La position du balancier `a
cette date est suppos´ee bien d´etermin´ee selon les lois de la m´ecanique classique. Convenons B= 1 si
cette position est `a droite du curseur, B= 0 si elle est `a gauche. Nous supposons que le cas, o`u cette
position serait sur le curseur, n’existe pas, plus exactement que la probabilit´e que cette position soit
sur le curseur est nulle, parce que le curseur est ponctuel. Choisissons maintenant, au hasard, dans
un intervalle de temps recouvrant un grand nombre de p´eriodes, une date t. Alors le bit horloger
B, calcul´e pour cette date sur la base du mouvement classique, est la variable al´eatoire dite Cbit `a
deux valeurs 0 et 1. En multipliant les curseurs, et les dates tal´eatoires, on peut d´efinir plusieurs
Cbits issus de ce syst`eme physique classique.
Le Cbit ainsi d´efini est issu d’un syst`eme physique, l’horloge, dont le mouvement dit classique,
au sens de conforme `a la m´ecanique classique, est lui mˆeme bien d´efini.
Nous d´esignons le Cbit par bit horloger parce que il n’existe pas de mod`ele quantique d’une
horloge. Le mod`ele dit standard fond´e sur l’´electrodynamique quantique et sur son d´eriv´e, la chro-
modynamique quantique, ignore toute interaction gravitationnelle. Le mod`ele standard est donc
incapable de proposer un mod`ele quantique d’une horloge `a balancier dont le mouvement repose
essentiellement sur la gravitation. Le Qbit est issu en pratique de mod`eles atomiques.
Pour sortir de cette impasse, on pourrait substituer au syst`eme horloger classique le mouvement
d’un point mat´eriel soumis `a une force centrale, par exemple le mouvement d’un ´electron soumis
`a l’attraction ´electrique exerc´ee par un proton, puis substituer au syst`eme horloger quantique hors
d’atteinte aujourd’hui, le syst`eme quantique constitu´e, soit par un atome d’hydrog`ene, soit par un
atome dot´e de plusieurs ´electrons. Le mod`ele classique et le mod`ele quantique se pr´esenteraient
bien comme deux mod`eles d’un mˆeme syst`eme physique. Nous sortons de l’impasse par une toute
autre voie, une voie qui ´elimine toute interaction gravitationnelle dans le syst`eme physique horloger
classique.
Le Qbit isol´e est identique `a un Cbit mais nQbits juxtapos´es, n > 1, ne sont pas identiques
`a nCbits juxtapos´es, en raison de certaines corr´elations possibles entre Qbits. Un jeu de plusieurs
Qbits peut ˆetre intriqu´e. (C’est le terme propos´e par Schr¨odinger, on dit aujourd’hui Entanglement
en anglais). L’intrication est un aspect important de la m´ecanique quantique.
Un jeu de deux Qbits est l’image d’un syst`eme physique quantique `a quatre ´etats observables,
que nous notons 0·0, 0·1, 1·0 et 1·1 par juxtaposition des valeurs des deux Qbits. Cependant, les
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probabilit´es d’obtenir lors d’une observation, dite aussi ”mesure”, chacun de ces ´etats ne sont pas
p1.p2,p1.(1p2), (1p1).p2, (1p1).(1p2) qui seraient celles d’obtenir ces ´etats par l’observation
de deux Cbits juxtapos´es, ce sont z1, z2, z3, z4, nombres r´eels, sous condition z1, z2, z3, z4>0 et sous
la condition de normalisation z1+z2+z3+z4= 1.
La g´en´eralisation, pour n > 2 vers un jeu de nQbits intriqu´es est ´evidente. Un jeu de nCbits
d´epend de nprobabilit´es p, tandis qu’un jeu de nQbits d´epend de 2n1 probabilit´es zind´ependantes,
id est 2nprobabilit´es li´ees par une relation.
Il est impossible d’´etablir une relation biunivoque entre un jeu de nCbits et un jeu de nQbits,
n > 1, puisque le premier d´epend de ncaract`eres r´eels sur le support 0 1 et le second de 2n1> n
caract`eres r´eels sur le mˆeme support.
2 Syst`eme physique d´eterministe sous-jacent
Un syst`eme physique, tel qu’une horloge, n’a pas deux images ou mod`eles, disons le mod`ele clas-
sique et le mod`ele quantique puisque ce dernier est inconnu. On admet cependant que le mod`ele
classique est erron´e, il n’est qu’une approximation, excellente au niveau macroscopique. C’est une
cons´equence directe du principe d’incertitude de Heisenberg, selon lequel il est impossible de connaˆıtre
l’´energie exacte d’un syst`eme `a une date exacte, ´etant entendu que ce principe porte sur tous les
ph´enom`enes physiques, ph´enom`enes gravitationnels inclus. Le produit de l’erreur sur l’´energie par
l’erreur sur la date ne peut ˆetre inf´erieur `a la constante d’action hde Planck. Or la position du
balancier sur son arc de cercle correspond `a une ´energie, donc l’horloge classique ne peut pas servir
`a mesurer des intervalles de temps petits, petits en un sens bien d´efini.
Bien que le mod`ele quantique d’une horloge soit inconnu, la g´en´eralisation sans limite du principe
d’incertitude de Heisenberg permet d’affirmer que le mod`ele classique de l’horloge est erron´e quant
`a la mesure pr´ecise du temps.
Nous nous proposons de d´efinir un mod`ele d´eterministe du syst`eme physique, l’horloge `a titre
d’exemple, distinct du mod`ele classique, un mod`ele dit sous-jacent ou pr´equantique, capable d’engen-
drer aussi bien le mod`ele classique qu’un mod`ele quantique. Selon l’opinion commune aujourd’hui,
ceci est impossible, parce que les corr´elations quantiques `a distance et instantan´ees, ou intrications,
ont ´et´e v´erifi´ees exp´erimentalement et elles sont incompatibles avec l’existence de variables cacees
permettant un retour vers le d´eterminisme. Nous passons outre cette opinion, parce que, selon notre
analyse, les corr´elations quantiques `a distance, ne sont pas rigoureusement exactes. Ce sont des
valeurs limites d’observations sur des intervalles de temps de dur´ee croissante, et non pas des va-
leurs d’observations `a des dates sp´ecifi´ees. Cette affirmation trouve son origine dans un th´eor`eme
math´ematique r´ecent. [2]. La r´evision des fondements de la m´ecanique quantique n’est pas l’objet de
cette note par laquelle on cherche seulement `a mettre en avant une origine d´eterministe des Qbits,
concept sp´ecifiquement quantique, et donc non d´eterministe selon l’opinion commune aujourd’hui.
Nota : Gerard ’t Hooft, [3], propose un mod`ele d´eterministe quantique, mais il ´emet une r´eserve
importante en raison d’une particularit´e de son mod`ele pour laquelle il n’imagine aucun support ex-
plicatif physique. Andrei Khrennikov [4] propose une m´ecanique pr´equantique eterministe formelle.
Le mod`ele d´eterministe dit sous-jacent est approximativement p´eriodique, la p´eriode de l’horloge,
et, `a l’int´erieur d’une demi-p´eriode, il poss`ede environ k´etats distincts. Ces k´etats sont inconnus
dans le mod`ele quantique, lequel distingue seulement sous le nom d’´etats, une partition des ´etats
du syst`eme sous-jacent. En bref, un ´etat quantique se pr´esente comme une r´eunion de divers ´etats
sous-jacents. De mˆeme pour le mod`ele classique.
Les corr´elations quantiques mettent en jeu au moins deux Qbits et, bien que des corr´elations
entre nQbits, n > 2, puissent pr´esenter des aspects divers int´eressants, nous nous limitons dans ce
qui suit au cas de deux Qbits, car ceci ne diminue en rien la g´en´eralit´e de notre propos.
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La description du mod`ele quantique est suppos´ee induire la d´efinition de deux Qbits, intriqu´es,
celle du mod`ele classique induit la description de deux Cbits. Le mod`ele sous-jacent induit les deux
descriptions, quantique et classique, donc il permet d’associer `a deux Qbits d´etermin´es, deux Cbits
d´etermin´es et vice versa, ce qui est impossible, lorsqu’on ne dispose que des deux mod`eles, quantique
et classique.
En bref le mod`ele quantique serait une description partielle et simplifi´ee du mod`ele sous-jacent,
par un regroupement statistique `a trois param`etres ind´ependants. Le mod`ele classique serait une
autre description partielle et simplifi´ee du mod`ele sous-jacent par un autre regroupement statistique
`a deux param`etres.
2.1 efinition du mod`ele sous-jacent
Le mod`ele sous-jacent poss`ede environ k´etats distincts par demi-p´eriode pour une raison phy-
sique, inconnue aussi bien en m´ecanique quantique, qu’en m´ecanique classique, `a savoir l’existence
d’un nuage universel de particules t´enues, d´esign´ees particules U. L’existence de ce nuage est sugg´er´ee
par le r´esultat math´ematique r´ecent d´ej`a mentionn´e [2].
L’effet de ce nuage universel de particules Uest de conf´erer une masse `a toutes les particules
reconnues aujourd’hui, disons des particules P, par le m´ecanisme suivant. Toute particule Ps’entoure
d’un cort`ege de particules U. Le nombre ou la disposition de particules Ude ce cort`ege varie sans
cesse `a chaque ”choc” de la particule Pavec une particule U. La masse inertielle de la particule P
d´epend de son cort`ege et la masse inertielle d’une particule Pdont le cort`ege est vide est nulle.
Nota : Nous avons pr´esent´e tout ceci `a travers divers m´emoires, [5], [6], [7], ce dernier m´emoire, plus
ancien et incomplet, en Anglais.
Dans le cas d’une horloge, selon Newton, la terre induit, par sa masse gravitationnelle, une force
de pesanteur sur le balancier. Dans le syst`eme sous-jacent propos´e, la terre induit une modification
des caract`eres du nuage universel dans son voisinage, par exemple et en r´esum´e, une diminution de
vitesse de certaines des particules du nuage. C’est cette modification locale du nuage qui induit `a
son tour sur le balancier, par des chocs dissym´etriques, un mouvement ressemblant `a celui induit
par une force de pesanteur. Il n’existe cependant aucune force d’interaction gravitationnelle entre la
terre et le pendule.
En outre, le balancier de l’horloge, dans le nuage universel, a une masse inertielle strictement
invariante, seulement entre deux chocs successifs de particules. Supposons que l’intervalle moyen
de temps entre deux chocs successifs pour un balancier particulier soit de 1040 secondes, alors les
fluctuations de masse inertielle de ce balancier sur des intervalles de temps d’ordre une nanoseconde
pourraient ˆetre n´eglig´ees. On rejoindrait ainsi pratiquement la proposition de Newton d’attribution
d’une masse inertielle invariante `a tout corps mat´eriel.
Le nombre kd’´etats distincts sur une demi-p´eriode serait donc le nombre de chocs avec une
particule U. Les intervalles de temps, au sens de la m´ecanique classique, entre deux chocs successifs,
´echappent `a toute mesure.
Afin de d´ecrire concr`etement le mod`ele sous-jacent, disons que l’horloge sous-jacente porte un
arc de cercle gradu´e face `a l’extr´emit´e basse du balancier. La graduation rep`ere kintervalles. Il faut
imaginer kd’autant plus grand que la p´eriode Tdu balancier est elle mˆeme plus grande. kserait
bien sup´erieur `a un milliard pour un balancier battant la seconde.
Soit `, 16`6k, le rang de l’intervalle dans lequel se trouve le balancier `a une date t, reli´ee `a x,
une variable al´eatoire r´eelle distribu´ee uniform´ement sur le support 0 1. On retient `= 1 + bx.kc.
Nota : Dans l’expression pr´ec´edente, buc ≤ u < buc+ 1 d´esigne la partie enti`ere de u.
La liaison entre tet xest : x=mod(t
T/2,1), Td´esignant la p´eriode de l’horloge et mod(t
T/2,1)
la valeur de t
T/2modulo 1.
On admet donc que, dans l’ignorance de la suite exacte des kintervalles, la probabilit´e que le
syst`eme physique sous-jacent consid´er´e soit dans l’´etat de rang `est la mˆeme quelque soit `. C’est
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une propri´et´e conjointe du nuage universel et d’une particule P.
2.2 efinititon des Qbits et des Cbits issus des ´etats sous-jacents
Le cercle devant lequel d´efile le balancier porte k1 traits `a peu pr`es ´equidistants en temps
entre le trait not´e 0 au point haut gauche et le trait not´e kau point haut droite. A une date t, le
balancier est inerieur `a un des kintervalles ainsi d´efinis, disons l’intervalle de rang `avec 1 6`6k.
Pour un syst`eme physique le plus simple possible, une particule Pdans le nuage universel, le
nombre kserait quelconque, ´eventuellement, un nombre premier. Pour un syst`eme physique mettant
en jeu deux particules, l’atome d’hydrog`ene par exemple dans une mod´elisation avec un ´electron et
un proton, on peut penser que le nombre k, un nombre de chocs par p´eriode, ne serait pas premier,
il serait le produit de deux nombres k1et k2relatifs chacun aux particules suppos´ees distinctes P1
et P2. Ce dernier syst`eme physique induit la d´efinition de deux Qbits intriqu´es, le premier syst`eme
n’induisant la d´efinition que d’un seul Qbit, donc identique au Cbit.
Pour la d´efinition de deux Qbits intriqu´es, on partage l’arc de cercle gradu´e en 4 secteurs par
trois traits rep`eres en `1,`2et `3avec 1 6`16`26`36k. On convient que l’´etat quantique, id
est la valeur bq(i), i = 1,2 des 2 Qbits, est 0 ·0 si `6`1; 0 ·1 si `1< ` 6`2; 1 ·0 si `2< ` 6`3;
1·1 si `3< ` 6k. L’´etat quantique, id est bq(i), n’est pas une description aussi compl`ete que l’´etat
sous jacent en ce sens que de l’´etat sous-jacent on peut d´eduire l’´etat quantique mais la r´eciproque
n’est pas vraie.
La m´ecanique quantique est une partition des k´etats sous-jacents en 2nsecteurs pour nQbits,
partition d´efinie par 2n1 arguments. La m´ecanique classique est aussi une partition, mais fort
diff´erente et d´efinie par narguments. La voici, toujours dans le cas n= 2 de 2 Cbits.
On a not´e que kn’est pas un nombre premier, il poss`ede deux diviseurs k1et k2diff´erents de 1
et de k. Soit un nombre entier p1v´erifiant 0 6p16k1. Soit, de mˆeme p2, un nombre entier v´erifiant
06p26k2
Par d´efinition, la valeur bc(i), i = 1,2, du Cbit de rang iest bc(i) = 0 si mod(`, ki)6pi,bc(i)=1
si mod(`, ki)> pi. La probabilit´e que bc(i) = 0 est sensiblement pi/ki.
Selon ces d´efinitions bq(i) et bc(i), i = 1,2, sont d´etermin´es pour chaque valeur de `. Ainsi, par
l’interm´ediaire de `, il existe une correspondance entre bc et bq. Cependant, si on ignore les ´etats sous-
jacents et si on a estim´e les valeurs de bc et de bq en se basant sur l’´evolution du syst`eme physique
consid´er´e, gouvern´ee par la m´ecanique quantique d’un syst`eme `a 4 ´etats pour bq, gouvern´ee par la
m´ecanique classique de deux horloges juxtapos´ees pour bc ou d’une horloge unique munie de deux
curseurs s´eparant les positions du balancier, alors aucune correspondance entre bc et bq n’existe, hors
cas particuliers. Les arguments `a valeurs discr`etes `1, `2, `3sont remplac´es, pour ces estimations par
des carr´es d’amplitudes complexes, donc des nombres r´eels ; les arguments rationnels p1
k1,p2
k2par des
probabilit´es r´eelles.
Nota 1 : Il convient de rappeler qu’un ´etat quantique n’est pas observable `a une date exacte t,
mais seulement `a une date int´erieure `a un intervalle de temps autour de t, en raison du principe
d’incertitude qui gouverne toute la m´ecanique quantique, corr´elations quantiques et intrications
incluses. En m´ecanique classique, la constante d’action hde Planck n’existe pas et un ´etat classique
est observable `a une date exacte t.
Nota 2 : On admet que les traits de s´eparation des secteurs sont d´efinis par des nombres r´eels
de sorte que la probabilit´e que le balancier d’une horloge d’un syst`eme sous-jacent soit sur un de
ces traits est toujours nulle, quelque soit le nombre de ces traits, et quelle que soit la date tunique
de relev´e. Au contraire, les positions de particules d’un syst`eme physique quantique ne peuvent pas
ˆetre observ´ees dans un intervalle sp´ecifi´e lorsque celui-ci devient trop petit, d’o`u la moelisation par
des probabilit´es.
En r´esum´e, sur la base d’un th´eor`eme r´ecent, [2], nous sugg´erons que la physique quantique est
engendr´ee par une physique sous-jacente, une physique d´eterministe, induite par l’existence d’un
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