La physique quantique décrit le monde microscopique avec une précision impressionnante. Ses prédictions n’ont encore jamais été contredites par les expériences. Mais elle est aussi réputéepour ses étrangetés. En effet, les objets microscopiques se comportent de manière contre-intuitive. Premièrement, leurs propriétés (telles que leur position et vitesse) ne peuvent parfois prendre que certaines valeurs bien précises. Pour faire une analogie avec notre monde macroscopique, tout se passe comme si, quand nous nous déplaçons sur une ligne droite, nous ne pouvions nous déplacer que par « sauts » d’un mètre, sans ne jamais pouvoir avoir de position intermédiaire.

Ensuite, deux entités semblent pouvoir s’influencer à très grande distance, à des vitesses supérieures à celles de la lumière. Enfin, certains objets ont des propriétés (telles que leur positon, ou vitesse) qui se trouvent dans des « superpositions quantiques » de plusieurs valeurs. Qu’est-ce que cela veut dire, pour un objet, d’être dans une « superposition » de plusieurs positions ? Est-ce que l’objet n’est nulle part ? Partout à la fois ? Ces questions animent les physiciens et philosophes depuis des décennies.

Une étrangeté de plus dans le monde quantique

Cependant, cette dernière décennie a vu émerger de nouvelles découvertes qui font monter la complexité du problème d’un cran. Des travaux de physiciens dispersés aux quatre coins du monde indiquent que lorsque deux événements se produisent dans le monde quantique, l’ordre temporel entre ces événements est parfois indéfini. À notre échelle, il est toujours possible de dire si une personne a d’abord éternué avant de s’excuser, ou l’inverse. La physique quantique semble indiquer qu’à petite échelle, il se pourrait parfois qu’aucune de ces deux possibilités ne soit la bonne. Or, l’ordre temporel entre différents événements est fortement lié aux relations de causalité. En effet, une cause doit toujours précéder son effet. Ainsi, si l’ordre temporel entre différents événements est indéfini, il pourrait en être de même pour leur ordre causal.

Comment faire sens d’un monde dans lequel les choses ne se dérouleraient pas dans un ordre bien défini ? Cette question est un défi lancé aux philosophes des sciences. D’audacieuses réponses seront sans doute proposées, et il nous faudra peut-être accepter une remise en question profonde de notre vision du monde physique.

Une expérience troublante

Nous pouvons observer les ordres causaux indéfinis en laboratoire, par exemple grâce au « quantum switch », un agencement expérimental très particulier ayant été réalisé à diverses reprises. Détaillons l’une de ces réalisations expérimentales. Deux expérimentateurs y performent chacun une opération sur une même particule de lumière, appelée photon.

Ces manipulations consistent, par exemple, à modifier une propriété de ce photon, que l’on appelle « mode spatial ». L’ordre entre les deux opérations est déterminé, non pas par les scientifiques eux-mêmes, mais par la valeur d’une autre propriété du photon, appelée « polarisation ». Lorsque la polarisation du photon est dans une « superposition quantique » de deux valeurs distinctes, et après qu’un troisième expérimentateur ait mesuré cette polarisation à la fin de l’expérience, l’ensemble de cet arrangement expérimental ne peut être décrit, ni par le scénario où la particule a d’abord été manipulée par le premier expérimentateur avant d’être envoyée chez le second, ni par le scénario inverse.

Ces recherches intrigantes en sont encore à leurs débuts. Elles permettront d’étudier le comportement des relations temporelles ou causales à très petite échelle, dans le monde quantique. Il est important de pouvoir donner du sens à l’absence d’ordre temporel ou causal entre événements. En effet, l’ordre des événements à travers le temps (et l’espace) forme le socle sur lequel l’humain construit sa compréhension de toute chose. Par exemple, lorsqu’un objet se brise après une chute, nous l’expliquons par son impact avec le sol, après qu’il ait suivi une trajectoire bien précise dans les airs. Pareillement, l’histoire de l’humanité se raconte en déroulant une succession continue de faits qui se sont produits à divers endroits du monde, à des moments bien précis. Afin de conserver nos modes de raisonnements classiques, il nous faut donc comprendre ce que deviennent les notions de temps et d’espace dans le monde quantique. Il faut également faire sens de leur éventuelle absence. Pour répondre à ces questions, certains philosophes et physiciens envisagent par exemple que le futur puisse influencer le passé. D’autres contemplent l’idée que le temps et l’espace ne puissent être que le « produit dérivé » de phénomènes plus fondamentaux, dont la nature est encore à saisir.

Enfin, la découverte du « quantum switch » et des ordres causaux indéfinis pourrait bien se révéler utile dans le domaine de l’informatique quantique, et pour le développement de futurs « ordinateurs quantiques » d’un nouveau genre. En effet, l’existence de ces phénomènes pourrait être exploitée afin de réaliser de nouvelles tâches. Ils pourraient aussi permettre d’exécuter certains calculs plus efficacement qu’avec des ordinateurs quantiques plus standard. Ainsi, les recherches récentes en physique quantique promettent de possibles révolutions, autant philosophiques que technologiques.

Cyril Branciard, chercheur au CNRS, a relu cet article et l’autrice souhaite l’en remercier.