Projet ANR-13-PDOC-0026 – QIFound : Les Fondements de la Théorie Quantique éclairés par l'Information Quantique
Programme : Retour Postdoctorants (PDOC) 2013
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Cyril BRANCIARD (Institut Néel CNRS )
Partenaires : Institut Neel
Montant : 327000.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 42 mois
Résumé : La théorie quantique est certainement l’une des théories qui a connu le plus de succès, et jusqu’à présent aucune expérience n’a été en mesure de la mettre en défaut. Cependant, ses fondements  ne sont toujours pas clairement compris à ce jour; après un siècle de recherches, les raisons pour lesquelles le monde est régi par les règles si déroutantes de la physique quantique restent une énigme.
Or, des progrès majeurs sur la compréhension des fondements de la théorie quantique ont été récemment rendus possibles grâce à l’émergence de l’information quantique. En révolutionnant la façon dont nous percevons et manipulons l’information, ce domaine de recherche jeune et dynamique a déjà mené à de nombreux résultats significatifs débouchant sur des applications et des avancées technologiques à fort impact sur notre société. Il a également un grand potentiel pour mener à encore plus de découvertes.
Ce projet vise à exploiter au mieux ce potentiel. Plus spécifiquement, nous allons revisiter l’un des concepts les plus fondamentaux de la théorie quantique, à savoir le principe d’incertitude d’Heisenberg, à l’aide d’une approche innovante et de techniques nouvellement issues du domaine de l’information quantique. Une des implications du principe d’incertitude est le concept de complémentarité, selon lequel certaines propriétés d’un système quantique—comme par exemple la position et la vitesse d’une particule—sont incompatibles et ne peuvent pas être mesurées simultanément. Il reste cependant possible d’approximer une mesure conjointe des deux grandeurs et de gagner ainsi une information partielle sur chacune d’elles. Nous allons précisément quantifier le compromis optimal d’information qu’il est possible d’obtenir sur chaque propriété incompatible. Bien que ceci puisse paraître une façon très naturelle de présenter le principe d’incertitude et le concept de complémentarité, de tels compromis d’information n’ont encore jamais été correctement analysés.
La détermination de la quantité d’information qu’il est possible d’obtenir à partir d’une mesure va nous permettre de reconsidérer les limites fondamentales imposées par la théorie quantique, et apportera une lumière nouvelle sur ses fondements. Pour gagner encore plus en compréhension, nous allons déterminer à quel point la théorie quantique peut être reconstruite à partir de ses seules propriétés de complémentarité, considérées comme un axiome fondamental, et le cas échéant quels autres axiomes sont nécessaires à la reconstruction complète de la théorie. Cette étude nous fournira des pistes pour comprendre pourquoi la nature a choisi d’obéir à la théorie quantique plutôt qu’à toute autre théorie, et proposera une approche originale de la quête du Saint Graal des fondements de la mécanique quantique, à savoir la dérivation de la théorie quantique à partir d’axiomes plus physiques que ses axiomes ad hoc standards.
Au-delà de ce programme de recherche concentré sur la question de la complémentarité en physique quantique, nous avons l’objectif plus large de lancer une nouvelle activité de recherche au sein de l’Institut Néel, et d’y établir les fondements de la théorie quantique en tant que domaine de recherche à part entière. L’institut regroupe plusieurs équipes expérimentales de classe internationale déjà rompues aux expériences dans le domaine de l’information quantique, dont les compétences pourraient directement s’appliquer et bénéficier au domaine des fondements. Ce projet vise à créer un « think tank » pour stimuler l’émergence d’idées nouvelles et mettre en place une synergie fructueuse entre notre expertise dans les fondements de la théorie quantique et les capacités expérimentales déjà présentes à l’institut Néel. Cela va conduire à la réalisation de passionnantes expériences de pensée à fort enjeu, qui vont remettre en question les interprétations de la physique quantique ainsi que notre compréhension du monde qui nous entoure.