La contrafactualité quantique est probablement l’un des phénomènes les plus spectaculaires de la physique quantique. En deux mots, c’est le fait que même quand des événements ne se produisent pas, ils peuvent interférer sur notre environnement.

L’inconvénient, c’est que ce phénomène est souvent assez mal vulgarisé. Très rapidement, on est plongé dans des formalismes mathématiques plus ou moins digestes.

Je propose ici une illustration imagée qui se veut à la fois abordable et fidèle à l’idée sous-jacente.

Exemple de terrain de jeu

Prenons une mission : nous avons un stock de 20 bombes. La moitié d’entre elles sont défectueuses. Le but est de se constituer une réserve de bombes fonctionnelles.

Pour la suite de la présentation, on va symboliser une bombe fonctionnelle par un carré orange et une bombe défectueuse par un carré gris. C’est uniquement pour la compréhension de l’exercice, mais il faut imaginer qu’il n’est pas possible visuellement de les distinguer.

Pour savoir si une bombe fonctionne ou pas, il suffit de verser une goutte d’eau dessus.

• Si la bombe fonctionne, elle explose aussitôt en vaporisant la goutte d’eau ;
• Si la bombe est défectueuse, la goutte traverse la bombe sans être altérée.

Hypothèse

Maintenant, dotons les gouttes d’eau de deux propriétés “quantiques”.

Une goutte d’eau qui pivote

Lorsqu’une goutte rencontre un séparateur (obstacle en forme de losange) :

• Si elle passe à gauche du losange (50 %), alors elle tourne de 180° ;
• Si elle passe à droite du losange (50 %), alors il ne se passe rien de particulier (elle garde la même orientation).

Pour la petite histoire, je m’inspire ici de miroir et de lames semi-réfléchissantes qui déphasent la lumière lorsque celle-ci se réfléchit.

Deux gouttes fusionnent ou s’annihilent

Deuxième propriété pour que l’expérience puisse fonctionner :

• Deux gouttes d’eau orientées dans la même direction peuvent fusionner en une goutte d’eau unique (elles sont en phase) ;
• Deux gouttes d’eau tête-bêche s’annihilent (elles sont en opposition de phase).

Maintenant que les hypothèses sont faites. Construisons l’expérience.

Mise en œuvre de l’expérience de détection des bombes fonctionnelles

Nous allons faire passer une goutte d’eau dans le circuit suivant.

• La goutte d’eau rencontre un premier obstacle-losange qui sépare l’entrée de deux canaux.
• Le canal de gauche est une simple ligne droite ;
• Le canal de droite conduit la goutte vers une bombe :
  
  • Si la bombe est fonctionnelle (orange), le parcours de la goutte s’arrête là ;
  • Si la bombe est défectueuse (grise), alors la goutte traverse la bombe sans changer d’état
• Les deux canaux convergent et on place un seau pour récupérer les gouttes à la sortie

Mettons ce circuit en pratique, dans le cas où la bombe est défectueuse. Comme la goutte d’eau est quantique, alors si deux chemins se présentent à elle, elle peut entrer dans un état de superposition et emprunter “virtuellement” les deux chemins en même temps. On va donc illustrer les “chemins possibles” en parlant de goutte virtuelle.

Attention : une goutte réelle ne se dédouble pas (elle passe soit dans le canal de droite, soit dans celui de gauche), mais on peut décrire le chemin d’une goutte réelle par la superposition des chemins de toutes ses gouttes virtuelles. Si on détaille :

• Une instance virtuelle de la goutte emprunte le canal de gauche et se retourne.
• Une instance virtuelle de la goutte emprunte le canal de droite ; elle traverse la bombe défectueuse sans changement.
• À la sortie du parcours, les deux gouttes virtuelles se recombinent. Or, comme les gouttes sont tête-bêche, alors elles s’annihilent. Aucune goutte ne peut sortir du circuit.

Et maintenant dans le cas où la bombe est fonctionnelle.

• Une instance virtuelle de la goutte emprunte le canal de gauche et se retourne.
• Une instance virtuelle de la goutte emprunte le canal de droite et rencontre la bombe qui explose. L’instance virtuelle de droite vient de disparaître.
• Il ne reste plus que l’instance virtuelle de gauche qui termine tranquillement son parcours jusqu’au seau.

Nous avons évoqué le parcours de deux gouttes “virtuelles”. Mais dans la pratique, les gouttes virtuelles redeviennent “réelles” lorsqu’on les “observe”. C’est-à-dire qu’elles redeviennent réelles dans deux cas : lorsqu’une bombe explose (on “voit” que la bombe explose) ou lorsque la goutte tombe dans le seau (on “voit” qu’elle est arrivée dans le seau). Et c’est là que tout se joue :

• Quand la bombe est défectueuse : les deux gouttes virtuelles (tête-bêche) se sont annihilées AVANT qu’on ne l’observe ! Que la réalité considère que la goutte (réelle) est en fait passée dans le canal de droite ou gauche ne change rien : à partir du moment où les instances virtuelles s’autodétruisent, aucune goutte ne peut être observée en sortie du circuit.
• Quand la bombe est fonctionnelle : il y a deux cas de figure
  
  • 50 % du temps, la réalité donne raison à la goutte virtuelle qui est partie à droite, celle qui explose la bombe.
  • 50 % du temps, la réalité donne raison à la goutte virtuelle qui est partie à gauche et qui termine dans le seau
  • Donc une bombe fonctionnelle explose une fois sur deux si l’on suit ce protocole.
  • Mais surtout, si une bombe atteint le seau, c’est que la bombe fonctionne ! Car si la bombe était défectueuse, on a vu qu’aucune goutte n’aurait pu atteindre le seau (à cause de leurs répliques virtuelles qui se sont annihilées).

Dans cette expérience (quelque peu romancée), on a donc mis en place un système qui permet d’identifier la moitié des bombes fonctionnelles (5 bombes sur 10), et ce, sans même les avoir touchées !