Quantum mechanics is strictly incompatible with local realism. It has been shown by Bell and others that it is possible, in principle, to experimentally differentiate between local realism and quantum mechanics. Numerous experiments have attempted to falsify local realism; however, they have consistently failed to close the detection loophole under strict locality conditions, thereby allowing local realistic explanations for their observations. In 2015, three experiments took place that tested local realism without the impediments of these significant loopholes. Between these three experiments, a substantial data set was collected. All of the collected data show a strong violation of local realism and strong support for quantum mechanics. This article reviews the theoretical basis of Bell tests and the affiliated loopholes, as well as the methods employed by these recent experiments and the implications of the results they observed. La mécanique quantique est strictement incompatible avec le réalisme local. Bell et d’autres scientifiques ont montré qu’il est possible, en théorie, de trouver la différence entre le réalisme local et la mécanique quantique expérimentalement. De nombreuses expériences ont tenté de falsifier le réalisme local; cependant, elles ont toujours échoué à combler la faille de détection dans des conditions de localité strictes, permettant ainsi des explications réalistes locales pour leurs observations. En 2015, trois expériences ont testé le réalisme local sans les entraves de ces failles importantes. Entre ces trois expériences, des données substantielles ont été recueillies. Toutes les données recueillies ont montré une forte déviation du réalisme local et un appui solid pour la mécanique quantique. Cet article examine les bases théoriques des tests de Bell et les failles af liées, ainsi que les méthodes employées par ces expériences récentes et les implications de leurs résultats.
Quantum mechanics is strictly incompatible with local realism. It has been shown by Bell and others that it is possible, in principle, to experimentally differentiate between local realism and quantum mechanics. Numerous experiments have attempted to falsify local realism; however, they have consistently failed to close the detection loophole under strict locality conditions, thereby allowing local realistic explanations for their observations. In 2015, three experiments took place that tested local realism without the impediments of these significant loopholes. Between these three experiments, a substantial data set was collected. All of the collected data show a strong violation of local realism and strong support for quantum mechanics. This article reviews the theoretical basis of Bell tests and the affiliated loopholes, as well as the methods employed by these recent experiments and the implications of the results they observed. La mécanique quantique est strictement incompatible avec le réalisme local. Bell et d’autres scientifiques ont montré qu’il est possible, en théorie, de trouver la différence entre le réalisme local et la mécanique quantique expérimentalement. De nombreuses expériences ont tenté de falsifier le réalisme local; cependant, elles ont toujours échoué à combler la faille de détection dans des conditions de localité strictes, permettant ainsi des explications réalistes locales pour leurs observations. En 2015, trois expériences ont testé le réalisme local sans les entraves de ces failles importantes. Entre ces trois expériences, des données substantielles ont été recueillies. Toutes les données recueillies ont montré une forte déviation du réalisme local et un appui solid pour la mécanique quantique. Cet article examine les bases théoriques des tests de Bell et les failles af liées, ainsi que les méthodes employées par ces expériences récentes et les implications de leurs résultats.
La mécanique quantique prédit l'existence de corrélations entre particules distantes qui ne peuvent s'expliquer dans le cadre des théories réalistes locales. Suite au développement récent de la théorie de l'information quantique, il a été réalisé que ces corrélations non-locales ont des implications quant aux capacités de traitement de l'information des systèmes quantiques. Outre une signification physique, elles possèdent donc une signification informationnelle. Cette thèse traite de différents aspects de la non-localité liés à ces deux facettes du phénomène. Nous commençons par un examen de la structure des corrélations locales et non-locales. Nous dérivons dans ce contexte de nouvelles inégalités de Bell, et généralisons ensuite le paradoxe de Greenberger-Horne-Zelinger à des états quantiques de dimension arbitraire et composés de plusieurs sous-systèmes. Nous abordons par après la non-localité du point de vue de la théorie de l'information. Il est possible de concevoir des théories non-locales consistantes avec le principe de causalité mais offrant des avantages supérieurs à la mécanique quantique en terme de manipulation de l'information. Nous investiguons l'ensemble des corrélations compatibles avec de telles théories afin d'éclairer l'origine des limitations imposées par le formalisme quantique. Nous nous intéressons également à la quantité de communication classique nécessaire pour simuler les corrélations non-locales. Nous montrons que cette mesure naturelle de la non-localité est étroitement liée au degré de violations des inégalités de Bell. Nous nous tournons ensuite vers des aspects expérimentaux. La faible efficacité des détecteurs utilisés dans les expériences de violation des inégalités de Bell reste un obstacle majeur à une démonstration convaincante de la non-localité, mais aussi à toute utilisation de la non-localité dans des protocoles d'information quantique. Nous dérivons d'une part des bornes quant à l'efficacité minimale requise pour violer les inégalités de Bell, et d'autre part des exemples de corrélations plus résistante à ces imperfections expérimentales. Finalement, nous clôturons cette thèse en montrant comment la non-localité, principalement étudiée dans le cadre de systèmes décrits par des variables discrètes, telles que les variables de spin, peut également se manifester dans des systèmes à variables continues, telles que les variables de position et d'impulsion.
Bell theorems show how to experimentally falsify local realism. Conclusive falsification is highly desirable as it would provide support for the most profoundly counterintuitive feature of quantum theory—nonlocality. Despite the preponderance of evidence for quantum mechanics, practical limits on detector efficiency and the difficulty of coordinating space-like separated measurements have provided loopholes for a classical worldview; these loopholes have never been simultaneously closed. A number of new experiments have recently been proposed to close both loopholes at once. We show these novel designs fail in the most basic way, by not ruling out local hidden variable models, and we provide an explicit classical model to demonstrate this. These experiments share a common flaw, which reveals a basic misunderstanding of how nonlocality proofs work. Given the time and resources now being devoted to such experiments, theoretical clarity is essential. Our explanation is presented in terms of simple logic and should serve to correct misconceptions and avoid future mistakes.
Franck Laloë nous invite ici à une approche assez subtile et innovante de l’article EPR. Cet article est difficile, aussi n’a-t-il pas choisi de commenter ses formules scientifiques – d’autant que maintenant le paradoxe EPR est généralement présenté avec le formalisme de David Bohm, de manière nettement plus simple qu’avec le formalisme de l’article initial de 1935. Laloë attire cependant notre attention sur deux résultats assez différents de l’article :- celui mis en avant par Podolsky (et par la plupart des commentateurs encore maintenant) : pour un des deux systèmes, lorsqu’il est très éloigné de l’autre, on peut envisager pour le futur plusieurs types de mesures avec des paramètres de mesure locaux différents ; les éléments de réalité en question déterminent les résultats de mesure pour tous les types possibles, y compris lorsqu’ils correspondent à des observables incompatibles. Ceci remet en question la notion de « variables incompatibles », essentielle dans l’interprétation standard de l’école de Copenhague. Curieusement, ce résultat est souvent présenté comme le résultat principal de l’article EPR.- celui sur lequel Einstein insistait : pour décrire la même réalité physique attachée au système 2, la mécanique quantique peut utiliser plusieurs vecteurs d’états totalement différents, ce qui en fait une théorie redondante.Pendant des décennies, les physiciens ne se sont guère intéressés à l’argument EPR, préférant se préoccuper de questions plus concrètes et moins « philosophiques ». C’est le théorème de Bell qui a tout changé, avec le fameux article de 1964 « On the Einstein-Podolsky-Rosen paradox » où il prolonge très directement le raisonnement de EPR. Partant des mêmes hypothèses, il montre que la mécanique quantique contient des prévisions qui, dans certains cas, sont contradictoires avec les hypothèses de « réalisme local » faites par EPR. Peu après, suivant la suggestion de Clauser, Shimony et coll. (1969) montrant que des expériences étaient possibles en utilisant des photons émis par des atomes dans des cascades entre niveaux, sont apparues les premières expériences. Elles ont pleinement confirmé les prédictions de la mécanique quantique, même quand elles donnent lieu à des violations des inégalités de Bell. De façon plus générale, les concepts d’intrication mis en avant par Schrödinger et par EPR jouent un rôle de plus en plus essentiel à l’heure actuelle dans des champs de recherche tels que la cryptographie quantique et l’information quantique, qui déboucheront peut-être un jour sur des applications concrètes. L’article EPR a réellement été une des contributions scientifiques les plus marquantes dans le domaine de la mécanique quantique depuis son apparition.
Compatibilité et non-localité L'un des concepts majeurs introduit par la théorie quantique est celui de la compatibilité des mesures quantiques. Il existe certains types de mesures qui ne peuvent pas être effectuées en même temps. Ainsi, on dit que les mesures sont compatibles si on peut mesurer en même temps et d'autre sont incompatibles. L'autre concept majeur de la mécanique quantique est celui de la nonlocalité qui est l'un des concepts les plus contre-intuitifs de la physique quantique. Ce concept majeur est dû à John Bell qui a montré que la mécanique quantique est intrinsèquement non locale. Ainsi, on parle de violation des inégalités de Bell par la mécanique quantique. Aujourd'hui, la nonlocalité est comprise à travers les jeux nonlocaux. Un jeux nonlocal consiste en deux joueurs ou plus Alice et Bob jouant contre un arbitre. Ce dernier posera un certain nombre de questions aux joueurs qui devront générer un certain nombre de réponses en utilisant une stratégie classique ou quantique. Il se trouve que le maximum des réponses qu'Alice et Bob peuvent générer est intrinsèquement relié à une norme tensorielle caractérisant le jeu. Dans ce formalisme, l'utilisation des stratégies classiques est relié à la norme de la matrice du jeux lui-même, ainsi la violation des inégalités de Bell se traduit par une inégalité stricte entre les normes tensorielles. Le but de cette thèse consiste à comprendre l'incompatibilité des mesures quantiques ainsi que le lien avec les inégalités de Bell. Dans un premier temps, nous avons introduit la compatibilité des mesures quantiques sous un nouveau point de vue, et analysé les types de bruit qu'on peut effectuer à fin de rendre le système compatible. Ce nouveau point de vue consiste à comprendre et à analyser l'effet de la dimension de l'espace de Hilbert sur l'incompatibilité des mesures. Par ailleurs à fin de rendre des mesures compatibles, on peut introduire l'effet d'un bruit. Comme application, certains états connu sous le nom de MUB sont de nature incompatible, on montre même si on rajoute du bruit aux MUB celle-ci restant incompatible, il existe une isométrie et un espace de Hilbert de dimension plus petite rendant les MUB compatibles. Dans un deuxième temps, nous avons analysé le lien intrinsèque reliant l'incompatibilité des mesures quantique et la violation des inégalités de Bell. Pour cela, on a considéré le cadre des jeux nonlocaux, où les mesures d'Alice sont fixées. Il est connu qu'une violation des inégalités de Bell nécessite l'utilisation des mesures incompatibles. Par ailleurs, si Alice veut savoir si elle observera une violation des inégalités de Bell si elle utilise des mesures incompatibles. Pour cela, elle doit calculer deux normes tensorielles d'un tenseur construit à partir de ses mesures. Ces normes tensorielles vont caractériser d'une part la compatibilité des mesures d'Alice et d'autre part la violation des inégalités de Bell. Dans ce cadre naturel, comprendre le lien entre incompatibilité des mesures quantiques et la violation des inégalités de Bell, revient à comparer les deux normes tensorielles. Or, il se trouve que pour le jeu CHSH ces deux normes sont égales, mais on peut montrer généralement qu'elles ne le sont pas. On peut se demander s'il existe d'autre types de jeux satisfaisant cette égalité des normes tensorielles ? Il se trouve que nous avons montré qu'avec des conditions suffisantes, seul le jeux CHSH à constante multiplicative près donne l'égalité entre les normes tensorielles.
Abstract. Bell inequalities are intended to show that local realist theories cannot describe the world. A local realist theory is one where physical properties are defined prior to and independent of measurement, and no physical influence can propagate faster than the speed of light. Quantum-mechanical predictions for certain experiments violate the Bell inequality while a local realist theory cannot, and this shows that a local realist theory cannot give those quantum-mechanical predictions. However, because of unexpected circumstances or “loopholes ” in available experiment tests, local realist theories can reproduce the data from these experiments. This paper reviews such loopholes, what effect they have on Bell inequality tests, and how to avoid them in experiment. Avoiding all these simultaneously in one experiment, usually called a “loophole-free ” or “definitive ” Bell test, remains an open task, but is very important for technological tasks such as device-independent security of quantum cryptography, and ultimately for our understanding of the world. ar X iv
La mécanique quantique est désormais une discipline scientifique de base, enseignée dans toutes les universités.Elle permet de rendre compte du comportement du monde microscopique avec une précision impressionnante, et en particulier du fonctionnement de tous les objets techniques (ordinateurs, téléphones mobiles, disques laser, etc.) que nous utilisons dans notre vie courante.Une pratique quotidienne de cette discipline permet au physicien d'acquérir une certaine maîtrise dans le maniement du formalisme quantique, une certaine intuition des erreurs qu'il ne faut pas commettre, de la démarche qu'il faut suivre pour parvenir au résultat correct.Cependant, lequel d'entre nous n'a pas ressenti, au moins une fois dans son parcours scientifique, un certain trouble concernant les fondements de la théorie quantique, l'impression qu'une formulation convaincante et satisfaisante de cette théorie restait encore à élaborer.Un grand nombre d'ouvrages d'enseignement de la mécanique quantique sont désormais disponibles, qui présentent en détail le formalisme quantique traditionnel et la manière dont il permet de rendre compte des propriétés des atomes et molécules, des corps solides et liquides, des interactions matière-rayonnement, et plus généralement du monde physique qui nous entoure.D'autres livres retracent l'histoire de l'élaboration de cette discipline, et décrivent les diverses étapes qui ont conduit à sa formulation moderne.Rares sont cependant ceux qui présentent, d'une part une revue des difficultés conceptuelles de la théorie, et d'autre part un panorama complet de toutes les tentatives de reformulation de la mécanique quantique ayant pour but de résoudre, au moins partiellement, ces difficultés.L'ouvrage présent de Franck Laloë répond à ces deux objectifs.Il introduit et discute en détail un certain nombre de résultats et de notions, comme le théorème d'Einstein-Podolsky-Rosen, le théorème de Bell, l'intrication quantique, qui illustrent clairement le caractère étrange du comportement quantique.Au cours des dernières décennies, des progrès expérimentaux importants ont été réalisés.Par exemple, il est devenu possible de suivre l'évolution en temps réel d'un atome unique.De nombreuses expériences, considérées comme des "expériences de pensée" par les pères fondateurs de