Des physiciens australiens viennent de franchir une étape que la communauté scientifique attendait depuis des décennies: ils ont démontré un enchevêtrement quantique non pas dans les «états internes» d'atomes, mais dans leur mouvement même. Or, le mouvement d'un atome est sensible à la gravité. C'est donc une petite brèche qui vient de s'ouvrir entre deux mondes théoriques qui cohabitent mal: la mécanique quantique et la relativité générale.

L'enchevêtrement (ou intrication) désigne cette propriété déroutante qu'ont deux particules qui restent corrélées de telle façon qu'en mesurer une modifie instantanément l'autre, même à grande distance. Le phénomène a été maintes fois observé, mais le plus souvent avec des photons, dépourvus de masse. Utile pour tester les fondements de la physique et développer des technologies quantiques, ce type d'expérience restait toutefois aveugle à une question cruciale: que devient l'enchevêtrement quand la gravité s'en mêle?

C'est ce qui a motivé l'équipe de Sean Hodgman, à l'Université nationale australienne de Canberra, à s'attaquer au problème dans un cadre beaucoup plus ambitieux, explique IFL Science: enchevêtrer la quantité de mouvement d'atomes d'hélium. «L'expérience repousse les limites de là où l'on a prouvé que la physique quantique s'applique», résume le doctorant Yogesh Sridhar. Selon lui, ces résultats renforcent la confiance dans la théorie et ouvrent la voie à des tests sur des objets réels de plus en plus massifs.

Concrètement, les chercheurs ont d'abord refroidi deux nuages d'atomes d'hélium jusqu'à en faire des condensats de Bose‑Einstein, ces états où la matière se comporte comme une seule onde quantique. Ils ont ensuite lancé ces deux nuages l'un vers l'autre: lors des collisions, des paires d'atomes devenaient enchevêtrées, chaque tentative ne produisant qu'un nombre très réduit de paires corrélées. Dans un monde classique, deux billes qui se percutent partent à gauche ou à droite, en haut ou en bas. Ici, la mécanique quantique impose qu'elles fassent les deux à la fois, jusqu'à ce qu'une mesure vienne figer le résultat. C'est velu, on vous l'accorde, et ce n'est pas fini.

Deux endroits à la fois

Les atomes ainsi créés ont été laissés tomber dans un interféromètre, un dispositif qui sépare et recombine des trajectoires pour faire interférer les ondes de matière. Leur point d'arrivée dépend directement de leur quantité de mouvement: en analysant la distribution des impacts, les physiciens montrent qu'elle n'est explicable que si, avant la mesure, chaque atome existait simultanément dans plusieurs états de mouvement –comme s'il se trouvait en deux endroits à la fois– et si leurs fonctions d'onde interféraient entre elles.

«Pour deux atomes séparés qui sont enchevêtrés, si vous changez l'un, vous affectez instantanément l'autre, insiste Sean Hodgman. C'est assez fou de penser que le monde fonctionne ainsi, mais nous montrons que c'est bien la nature de la réalité.» L'hélium a été choisi dans un état riche en énergie interne: lorsqu'un atome est détecté, il libère un électron mesurable, ce qui permet de reconstruire sa trajectoire en trois dimensions avec une grande précision.

L'enjeu dépasse de loin la seule curiosité quantique. La mécanique quantique décrit parfaitement l'infiniment petit, tandis que la relativité générale d'Einstein règne sans partage sur la gravitation à grande échelle, mais les deux cadres mathématiques restent incompatibles. La quête d'une «théorie du tout» capable de les unifier hante la physique depuis plus d'un siècle sans solution définitive.

En théorie, une version agrandie de leur dispositif pourrait enfin apporter des éléments concrets pour répondre à ces questions, au lieu de se contenter de modèles abstraits. La prochaine étape pourrait consister à enchevêtrer non plus deux atomes identiques, mais des isotopes d'hélium de masses différentes, comme l'hélium‑3 et l'hélium‑4, afin de sonder plus finement l'influence de champs gravitationnels sur leurs états quantiques.

Cela supposera des années de travail et des financements supplémentaires importants, reconnaît Sean Hodgman. Mais l'expérience déjà réalisée, publiée dans Nature Communications, montre qu'il est désormais possible de manipuler l'enchevêtrement d'objets matériels soumis à la gravité, un pas de plus vers l'idée, encore très théorique, d'une gravité quantique.