Un Français prix Nobel de physique : Qui est Alain Aspect, spécialiste de la mécanique quantique qui a prouvé qu’Einstein avait tort ?

Professeur à l’École normale supérieure de Cachan, cofondateur d’une start-up, grand spécialiste de la physique quantique… qui est Alain Aspect, le nouveau prix Nobel de Physique, récompensé avec deux autres chercheurs ?

Le Nobel de Physique a été décerné à trois chercheurs ce mardi 4 octobre à Stockholm, notamment au Français Alain Aspect. Ce dernier a été récompensé aux côtés de l’Américain John Clauser et l’Autrichien Anton Zeilinger pour leurs “expériences révolutionnaires” sur la mécanique quantique.

Un spécialiste de la mécanique quantique

Alain Aspect est un physicien français, né le 15 juin 1947 à Agen, connu notamment pour avoir conduit le premier test concluant portant sur un des paradoxes fondamentaux de la mécanique quantique, le paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen. En 2022, il est co-lauréat du prix Nobel de physique aux côtés de John Clauser et Anton Zeilinger « pour les expériences avec des photons intriqués, établissant les violations des inégalités de Bell et ouvrant une voie pionnière vers l’informatique quantique ».

Il est le lauréat de la médaille d’or du CNRS en 2005, du prix Wolf en 2010. En 2013, il obtient le prix Balzan, le grand prix de l’Optical Society, la Ives Medal/Jarus Quinn Prize, et la médaille Niels Bohr, seul lauréat français à ce jour.

L’histoire de la physique quantique commence avec Albert Einstein au début du XXe siècle et continue avec ses héritiers. Plus de 100 ans après, ces derniers démontrent des erreurs du maître.

Au début du XXe siècle, la physique quantique révolutionnait notre vision du monde, opposant parfois les penseurs de la discipline entre eux. Les travaux d’Alain Aspect sur l’intrication et les liens entre les particules au début des années 80, lui valent aujourd’hui de recevoir le prix Nobel de physique 2022. Elles sont aussi le coup de boutoir décisif à une théorie d’Albert Einstein, dont les travaux continuent d’inspirer la recherche vers des découvertes qui, dans notre quotidien, pourraient tout changer.

Pour comprendre l’ampleur de ce qu’a démontré le chercheur français, il faut d’abord revenir sur la physique quantique elle-même, et son champ d’action. : « Ce sont les lois du monde à toute petite échelle », résume Julien Bobroff, physicien et professeur à l’Université Paris-Saclay et auteur du Bienvenue dans la nouvelle révolution quantique (Éditions Flammarion).

Onde et corpuscule à la fois

Car ces lois, qui régissent le comportement des atomes, des électrons ou encore des photons, n’ont rien de commun avec celle de notre univers macroscopique. Lorsque l’on pense à un atome, c’est une sorte de toute petite bille qui vient à l’esprit : à cette échelle, les particules ne se comportent pas vraiment comme le feraient des billes, mais bien comme des ondes.

Pour le dire autrement, des atomes passant dans deux trous distincts devraient en théorie aller s’écraser avec précision à deux points séparés d’une paroi, à la manière de billes. Or, ce n’est pas le cas : lorsqu’elle n’est pas mesurée, la lumière se comporte comme une onde, et se disperse le long d’un spectre, comme le montre l’illustration ci-dessous.

Illustration de l’expérience de la « Fente de Young »  menée en 1801

Illustration de l’expérience de la « Fente de Young » menée en 1801

Cette découverte de la nature de l’infiniment petit, que l’on doit à Max Planck et Albert Einstein dans les années 1910-1920, fut le début de la physique quantique, et la base des travaux d’Alain Aspect sur l’intrication. Un terme qui, là encore, a de quoi changer toute la compréhension du monde qui nous entoure.

Des atomes unis pour la vie…

« Imaginez que vous mélangez deux grains de lumière », s’enthousiasme Julien Bobroff. « Vous faites dès lors en sorte qu’ils partagent un même état, un véritable destin commun ». Et ce destin commun n’a pas de limite de distance, aussi incroyable que cela puisse paraître. Ils ne se fusionnent pas mais partagent un lien inextricable.

Un photon, donc un grain de lumière, possède ainsi deux états de polarisation, à la manière d’une bille qui aurait deux couleurs suivant qu’il tourne vers la gauche ou vers la droite. Mais tant qu’il n’a pas été mesuré, il peut être dans ces deux polarisations à la fois, comme si la bille avait deux couleurs en même temps ! C’est le principe de superposition quantique, que connaissent bien les amateurs du paradoxe du fameux « Chat de Schrödinger », que l’on retrouve ci-dessous.

Expérience du chat de Schrödinger

Expérience du chat de Schrödinger

À partir du moment où l’on mesure la polarisation d’un photon, sa nature change, il passe d’une petite onde à une particule, comme on l’a vu. Au même moment, sa polarisation choisit : soit il tourne vers la gauche, soit vers droite, comme si la bille choisissait soudain sa couleur… Mais lorsqu’il partage le destin d’un autre photon, un étrange phénomène se produit.

« Imaginez que j’ai deux photons intriqués, puis que je les éloigne l’un de l’autre », explique le physicien. « Je mesure le premier, qui va choisir son état complètement au hasard », donc à droite ou à gauche. Instantanément, l’autre photon placé à distance va systématiquement choisir de tourner dans l’autre sens. « Le truc incroyable, c’est que vous pouvez les éloigner autant que vous voulez : ils continuent à partager leur destin », explique Julien Broboff.

… mais une relation à distance

C’est précisément ce qu’a démontré Alain Aspect. Et à l’inverse, ce que refusait Albert Einstein. Le légendaire physicien d’origine allemande estimait que les deux photons devaient forcément échanger une information pour que l’un prenne systématiquement la direction opposée à l’autre, ou bien partager un secret dès le début, une variable cachée. Il devait donc s’écouler un instant minuscule, à peine mesurable, entre le moment où le premier photon était observé, et optait pour une direction et l’instant où le second faisait de même. Mais comment démontrer cette absolue simultanéité, ou son absence ?

« Alain Aspect a résolu le problème », raconte Julien Broboff, « en étant sûr qu’ils n’aient pas le temps de communiquer ». Le Nobel 2022 met en place en 1980 un dispositif qui ne laisse plus aucune place au doute, et démontre que même placés à douze mètres de distance, des photons intriqués continuent de partager un destin commun de façon instantanée, sans avoir à échanger des informations. L’intrication devient une réalité démontrée et irrémédiable. Le grand Albert Einstein avait tort, et les promesses de cette expérience sont vertigineuses.

Cryptographie, imagerie, mais surtout ordinateur quantique : l’intrication permet en effet d’ores et déjà de réaliser des performances spectaculaires. Le langage informatique repose sur des 1 et des 0 : en arrivant à mélanger superposition (le fait pour un photon de tourner à la fois vers la gauche et vers la droite) et intrication, les puissances de calculs obtenues sont sans comparaison.

« Imaginez qu’on arrive à intriquer non pas deux, mais soixante-dix photons », et dont on arriverait à stabiliser l’état, « on stockerait toute l’information produite par l’humanité ». Les défis restent immenses, mais les avancées continuent. La Chine n’est d’ailleurs pas en reste sur ce sujet : en 2017, elle a annoncé avoir testé l’intrication de deux photons… À plus de 1000 kilomètres de distance. L’héritage de l’expérience d’Alain Aspect.

Parcours professionnel

Ancien élève de l’École normale supérieure de Cachan (promotion 1965), Alain Aspect poursuit ses études à l’université de Paris. Il obtient la licence de physique en 1967, puis le diplôme d’études approfondies en optique en 1968. Recruté comme professeur agrégé de sciences physiques en 1969, il est détaché comme assistant à l’Université Paris-Sud (pour le diplôme d’études approfondies en optique) de 1969 à 1971. Il prépare alors le diplôme de docteur de 3e cycle au sein de l’Institut d’Optique Théorique et Appliquée (Supoptique) sous la direction de Serge Lowenthal. Il soutient sa thèse de 3e cycle en 1971 et part enseigner, au titre de la coopération, à l’École normale supérieure de Yaoundé (Cameroun) de 1971 à 1974.

À son retour en France, il est nommé maître-assistant à l’ENS Cachan. Christian Imbert, professeur à l’École supérieure d’optique, et Olivier Costa de Beauregard, directeur de recherche au CNRS, lui proposent de préparer une thèse pour le doctorat d’État, portant sur la démonstration expérimentale du paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen, au sein de son laboratoire d’expériences fondamentales en optique à l’Institut d’Optique. Il publie en 1975 et 1976 deux articles dans lesquels il propose les expériences qu’il réalisera quelques années plus tard. Il obtient le doctorat d’État en 1983 en tranchant (voir expérience d’Aspect) un vieux débat entre Albert Einstein et Niels Bohr sur les fondements de la mécanique quantique, et amenant à l’obligation de choisir entre les principes de causalité et de localité, les deux ne pouvant être conservés à la fois.

En 1984, il est nommé maître de conférences à l’École polytechnique et sous-directeur de laboratoire au Collège de France (associé à la chaire de physique atomique et moléculaire de Claude Cohen-Tannoudji). Il travaille alors, au sein du laboratoire de spectroscopie hertzienne de l’École normale supérieure, sur la méthode de refroidissement d’atomes par laser dite « sous le recul du photon », qui vaudra, en 1997, à Claude Cohen-Tannoudji le prix Nobel de physique.

En 1992, il retourne à Orsay au sein de l’Institut d’Optique en tant que directeur de recherche au CNRS. Il est directeur-adjoint de SupOptique (école de l’Institut d’Optique Théorique et Appliquée IOTA) de 1992 à 1994. Il y monte un nouveau groupe de recherche consacré à l’optique atomique, les miroirs atomiques, et les condensats de Bose-Einstein. En 1994, il est nommé parallèlement professeur à l’École polytechnique.

Alain Aspect est membre de l’Académie des sciences et de l’Académie des technologies. Il est lauréat du prix Holweck en 1991. Le 9 novembre 2005, le CNRS lui décerne sa médaille d’or. En septembre 2006, il est nommé membre du Haut conseil de la science et de la technologie. En avril 2008, il devient membre de la National Academy of Sciences américaine. En 2010 il reçoit, conjointement avec l’Américain John F. Clauser et l’Autrichien Anton Zeilinger, le prix Wolf de physique pour ses contributions conceptuelles et expérimentales à la physique quantique.

Il est nommé en 2011 à la Thomson Reuters citation Laureate, obtient la médaille Albert-Einstein en 2012 et le prix Balzan en 201312. En octobre 2013, il reçoit aussi la médaille Niels Bohr à l’occasion de la célébration du centenaire de la publication du modèle atomique de Niels Bohr.

Il est professeur à l’École normale supérieure de Cachan depuis 2014.

Il est cofondateur en 2019 de la jeune pousse Pasqal, une entreprise spécialisée dans l’informatique quantique, qui travaille sur un ordinateur quantique à atomes neutres.

Alain Aspect se voit décerner le 4 octobre 2022, avec deux autres chercheurs, l’Autrichien Anton Zeilinger et l’Américain John Francis Clauser, le prix Nobel de physique pour leurs expériences sur l’intrication quantique et la violation des inégalités de Bell réalisées à l’Institut d’Optique15.

Huffington Post