L’« intégrale de chemin » quantique de Feynman vérifiée par l’expérience 80 ans après

Un postulat fondamental de la physique quantique, formulé par Richard Feynman il y a près de 80 ans, a été directement vérifié par l'expérience pour la première fois. La recherche, publiée le 26 août dans Science Advances, confirme que l'« intégrale de chemin », qui prédit le comportement d'une particule quantique en faisant la somme de toutes les trajectoires possibles qu'elle pourrait emprunter, fonctionne exactement comme Feynman l'avait proposé en 1948.science+1

L'expérience

Shi-Liang Zhu et ses collègues de l'Université normale de Chine du Sud à Guangzhou, en Chine, ont testé l'intégrale de chemin de Feynman en envoyant des photons uniques à travers un labyrinthe de miroirs, de lentilles et de cristaux minuscules. L'équipe a mesuré un objet quantique appelé propagateur, qui prédit la façon dont l'état quantique d'un photon change lorsqu'il se déplace entre différents points lors de l'expérience.newscientist

En mesurant cinq propagateurs successifs pour un photon donné et en les multipliant entre eux, les chercheurs ont reconstruit l'intégrale de chemin à partir de données expérimentales. Le processus a produit 1 419 857 trajectoires distinctes, qui ont toutes été intégrées dans la formule de Feynman. La prédiction correspondait exactement à ce que le photon a réellement fait.newscientist

« La formule célèbre "somme sur toutes les trajectoires" n'était plus une simple instruction symbolique dans un manuel: nous avons pu voir ses conséquences émerger directement des données expérimentales », a déclaré Zhu.newscientist

Pourquoi c'est important

L'intégrale de chemin de Feynman est une pierre angulaire de la physique théorique depuis sa présentation, sous-tendant les calculs en électrodynamique quantique, en physique des particules et en théorie de la matière condensée. Pourtant, jusqu'à présent, elle n'avait jamais été directement testée: les scientifiques supposaient simplement qu'elle fonctionnait parce que les théories construites sur celle-ci fournissaient des prédictions précises.newscientist

Jörg Götte, de l'Université de Glasgow, a qualifié la précision de l'expérience de véritable avancée scientifique. Étant donné que la trajectoire d'un photon ne peut pas être suivie directement pendant qu'il se déplace, ce travail met en valeur des méthodes sophistiquées de mesure et de contrôle quantiques, a-t-il précisé. Si la mesure avait révélé autre chose, « tout le cadre d'utilisation de l'intégrale de chemin pour les calculs quantiques s'en serait trouvé effondré ».newscientist

Défis techniques

Zhu a souligné que l'expérience a nécessité d'améliorer « presque tous les aspects » simultanément. Le nombre impressionnant de trajectoires a créé des occasions d'accumulation d'erreurs et de bruit expérimental au cours des cinq multiplications de propagateurs. Sans ces améliorations, les données finales auraient semblé presque totalement aléatoires.newscientist

L'équipe espère que des chercheurs d'autres domaines pourront adapter leur approche expérimentale à d'autres systèmes quantiques, ce qui permettrait potentiellement des tests plus complexes, comme mesurer directement la façon dont les trajectoires s'additionnent lorsque les photons voyagent à travers des matériaux plutôt que dans l'air.newscientist