Fascinant monde quantique

Le monde quantique : quand la réalité ne fonctionne plus comme on l’imagine

À notre échelle, le monde paraît plutôt logique.

Une balle est ici ou là.

Une voiture suit une trajectoire.

Une porte est ouverte ou fermée.

Un objet que l’on lâche tombe.

Nous avons l’habitude d’un univers dans lequel les choses semblent avoir une position, une vitesse, une forme et un état bien définis.

Puis nous descendons à l’échelle des atomes et des particules.

Et là, notre intuition commence sérieusement à perdre pied.

Une particule peut être décrite comme une combinaison de plusieurs possibilités.

La lumière peut se comporter comme une onde… et comme une particule.

Certaines propriétés ne peuvent pas être connues simultanément avec une précision absolue.

Deux particules peuvent même présenter des corrélations étonnantes alors qu’elles sont très éloignées l’une de l’autre.

Bienvenue dans le monde quantique.

Un monde qui paraît étrange à notre cerveau quotidien, mais dont les lois ont été vérifiées expérimentalement avec une précision remarquable.

Que signifie « quantique » ?

Le mot vient du latin quantum, qui renvoie à l’idée d’une quantité déterminée.

Au début du XXe siècle, les physiciens découvrent que, dans certaines situations, l’énergie ne s’échange pas de manière parfaitement continue.

Elle apparaît plutôt sous forme de petites quantités bien définies : des quanta.

Cette idée va donner naissance à la mécanique quantique.

Elle permet de décrire le comportement de la matière et de la lumière à très petite échelle :

• les atomes ;

• les électrons ;

• les photons ;

• les molécules ;

• et les particules élémentaires.

Mais il ne faut pas imaginer que la physique quantique est réservée aux laboratoires.

Elle explique aussi une immense partie de notre technologie moderne.

Une révolution née d’un problème de lumière

À la fin du XIXe siècle, certains physiciens pensent que les grandes lois de la nature sont presque entièrement comprises.

Puis plusieurs expériences résistent aux théories existantes.

En 1900, Max Planck propose une idée audacieuse : l’énergie lumineuse pourrait être échangée par quantités discrètes.

Quelques années plus tard, Albert Einstein utilise cette idée pour expliquer l’effet photoélectrique.

La lumière, que l’on décrivait alors surtout comme une onde, semble aussi se comporter comme si elle était composée de petits paquets d’énergie.

On les appellera plus tard les photons.

Une question apparaît alors :

la lumière est-elle une onde ou une particule ?

La réponse quantique est déroutante.

Selon l’expérience réalisée, elle peut manifester des propriétés associées aux deux.

L’expérience des deux fentes

C’est l’une des expériences les plus célèbres de toute la physique.

Imaginez une plaque percée de deux petites ouvertures et, derrière elle, un écran.

Si l’on envoie de petites billes vers les ouvertures, on s’attend à obtenir deux zones principales sur l’écran.

Si l’on envoie des vagues, en revanche, elles traversent les deux fentes et se superposent.

On obtient alors une figure d’interférence, composée de bandes.

Lorsque cette expérience est réalisée avec des particules comme les électrons, quelque chose de très étonnant se produit.

Même lorsque les électrons sont envoyés un par un, une figure d’interférence apparaît progressivement.

Comme si chaque particule était décrite par plusieurs possibilités qui interfèrent entre elles.

Et lorsqu’on installe un dispositif permettant de savoir précisément par quelle fente la particule est passée, cette figure d’interférence disparaît.

Ce n’est pas la conscience de l’observateur qui provoque cela.

C’est le fait que la mesure elle-même implique une interaction physique avec le système.

Une particule peut-elle être à deux endroits en même temps ?

On entend souvent cette phrase.

Elle est pratique pour vulgariser, mais elle est aussi un peu trompeuse.

La mécanique quantique ne dit pas simplement qu’une particule se trouve « ici et là » comme un objet ordinaire qui serait miraculeusement dupliqué.

Elle dit qu’avant une mesure, l’état du système peut être décrit comme une superposition de plusieurs possibilités.

Ces différentes possibilités peuvent contribuer au résultat observé.

Lorsqu’une mesure est effectuée, on obtient alors un résultat précis.

C’est l’un des aspects les plus déroutants de la théorie.

La superposition quantique

Prenons une image simple.

À notre échelle, une pièce est soit pile, soit face.

Dans un système quantique, l’état peut être décrit comme une combinaison de plusieurs résultats possibles.

C’est ce que l’on appelle la superposition.

Mais cela ne veut pas dire que tout devient possible n’importe comment.

La mécanique quantique permet au contraire de calculer avec une grande précision les probabilités d’obtenir tel ou tel résultat.

Elle est donc profondément probabiliste.

Et c’est là une rupture majeure avec notre vision classique du monde.

Le chat de Schrödinger

En 1935, le physicien autrichien Erwin Schrödinger imagine une expérience de pensée devenue célèbre.

Un chat est placé dans une boîte avec un dispositif dépendant d’un événement quantique.

Selon le résultat de cet événement, un mécanisme peut libérer un poison.

Si l’on applique naïvement le principe de superposition à l’ensemble du système, le chat devrait être décrit comme étant dans une combinaison de deux états :

vivant et mort.

Schrödinger ne cherchait évidemment pas à proposer une expérience réelle sur un animal.

Il voulait montrer à quel point les règles quantiques deviennent difficiles à interpréter lorsqu’on tente de les appliquer directement à notre monde quotidien.

Le fameux chat soulève donc une question profonde :

à quel moment une possibilité quantique devient-elle un résultat concret ?

Le principe d’incertitude

En 1927, Werner Heisenberg formule un autre principe fondamental.

Certaines paires de propriétés ne peuvent pas être connues simultanément avec une précision arbitraire.

L’exemple classique concerne :

• la position d’une particule ;

• et sa quantité de mouvement.

Plus l’une est connue avec précision, moins l’autre peut l’être.

Ce n’est pas simplement un problème d’instruments imparfaits.

Cette limite fait partie de la structure même de la théorie quantique.

Cela signifie que le monde microscopique ne se comporte pas comme une gigantesque horloge où tout serait parfaitement défini et mesurable à chaque instant.

Est-ce que l’observateur crée la réalité ?

C’est probablement l’une des idées les plus déformées sur Internet.

On lit parfois que :

« La conscience humaine modifie la réalité quantique. »

Ce n’est pas ce que démontre la physique quantique.

Dans ce contexte, une mesure signifie qu’un système quantique interagit avec un appareil, un environnement ou un autre système physique.

Il n’est pas nécessaire qu’un humain regarde avec ses yeux pour qu’une interaction ait lieu.

La question de la mesure reste profonde et discutée en physique et en philosophie des sciences.

Mais la mécanique quantique ne prouve pas que nos pensées peuvent commander la matière.

L’intrication quantique

Voici encore plus étrange.

Deux particules peuvent être préparées de manière à former un état quantique commun.

On dit qu’elles sont intriquées.

Lorsqu’on mesure certaines propriétés de l’une, les résultats obtenus sont fortement corrélés à ceux de l’autre.

Et cela reste vrai même lorsqu’elles sont très éloignées.

Einstein trouvait cette idée très gênante et parlait d’une sorte d’action fantomatique à distance.

Pendant longtemps, les physiciens se sont demandé si ces corrélations pouvaient être expliquées par des mécanismes cachés plus classiques.

Les travaux liés aux inégalités de Bell ont montré que les résultats expérimentaux ne peuvent pas être reproduits par certaines théories classiques locales à variables cachées.

Les expériences menées au fil des décennies ont confirmé ces corrélations quantiques avec une précision croissante.

Ces travaux ont notamment valu le prix Nobel de physique 2022 à Alain Aspect, John Clauser et Anton Zeilinger.

Peut-on communiquer plus vite que la lumière ?

Non.

L’intrication produit des corrélations extraordinaires, mais elle ne permet pas d’envoyer un message contrôlé instantanément d’un point à un autre.

La relativité d’Einstein n’est donc pas contournée de cette façon.

Pas de téléphone quantique permettant d’envoyer un message sur Mars sans délai.

Dommage pour la science-fiction, mais la physique reste tenace.

Pourquoi notre monde quotidien ne paraît-il pas quantique ?

Nous sommes pourtant faits d’atomes.

Alors pourquoi une chaise ne semble-t-elle jamais être à deux endroits à la fois ?

L’une des explications importantes repose sur la décohérence.

Les systèmes quantiques sont extrêmement sensibles à leur environnement.

Or les objets de notre quotidien interagissent sans cesse avec :

• l’air ;

• la lumière ;

• la chaleur ;

• les vibrations ;

• les autres particules.

Ces interactions détruisent très rapidement les effets quantiques observables à grande échelle.

Le monde classique que nous connaissons émerge ainsi progressivement du monde quantique.

Et pourtant, nous utilisons déjà la physique quantique tous les jours

La mécanique quantique n’est pas seulement une théorie étrange.

Sans elle, une grande partie de notre monde technologique n’existerait pas.

Elle est indispensable pour comprendre :

• les transistors ;

• les semi-conducteurs ;

• les puces électroniques ;

• les lasers ;

• les LED ;

• les cellules photovoltaïques ;

• certaines techniques médicales ;

• les horloges atomiques ;

• et de nombreux capteurs.

Votre téléphone portable fonctionne donc grâce à des technologies qui reposent directement sur la physique quantique.

Le monde quantique est déjà dans votre poche.

Et les ordinateurs quantiques ?

Un ordinateur classique utilise des bits, qui valent soit 0, soit 1.

Un ordinateur quantique utilise des qubits.

Ces qubits peuvent exploiter la superposition et l’intrication pour traiter certains problèmes d’une manière très différente.

Cela ne signifie pas qu’un ordinateur quantique sera plus rapide pour tout.

Pour certaines catégories de calculs, en revanche, il pourrait offrir des avantages considérables.

Les domaines étudiés comprennent notamment :

• la simulation de molécules ;

• la chimie ;

• la recherche de nouveaux matériaux ;

• certains problèmes d’optimisation ;

• la cryptographie ;

• et la modélisation de systèmes complexes.

Nous sommes encore loin d’un ordinateur quantique universel remplaçant nos ordinateurs personnels.

Mais la recherche avance rapidement.

La physique quantique est-elle incompréhensible ?

Elle est surtout contre-intuitive.

Et ce n’est pas la même chose.

Notre cerveau s’est développé dans un monde d’objets macroscopiques.

Nous manipulons des tables, des ballons, des voitures, des livres.

Nous n’avons aucune expérience quotidienne directe d’un photon ou d’un électron.

Il est donc assez logique que les phénomènes quantiques nous paraissent étranges.

Mais mathématiquement et expérimentalement, la mécanique quantique fonctionne remarquablement bien.

Certaines de ses prédictions font même partie des plus précises jamais vérifiées en physique.

Alors, qu’est-ce qui est vraiment étrange ?

La physique quantique nous oblige surtout à abandonner plusieurs intuitions.

À très petite échelle :

• les résultats sont souvent probabilistes ;

• les états peuvent être superposés ;

• les possibilités peuvent interférer ;

• certaines propriétés ne peuvent pas être connues simultanément avec une précision absolue ;

• des systèmes éloignés peuvent présenter des corrélations impossibles à expliquer par certaines conceptions classiques ;

• la distinction simple entre onde et particule ne suffit plus.

Le monde quantique n’est donc pas un monde où « tout est possible ».

Il possède au contraire des règles extrêmement précises.

Ce sont simplement des règles qui ne ressemblent pas à celles de notre expérience quotidienne.

Une théorie qui fonctionne… mais dont on discute encore le sens

C’est peut-être l’un des aspects les plus fascinants de la mécanique quantique.

Les physiciens savent l’utiliser.

Ils savent faire des prédictions.

Ils savent construire des technologies grâce à elle.

Mais ils ne sont pas tous d’accord sur ce qu’elle nous dit exactement de la réalité.

Plusieurs interprétations existent :

• l’interprétation dite de Copenhague ;

• l’interprétation des mondes multiples ;

• les théories à variables cachées ;

• différentes approches fondées sur la décohérence ;

• et d’autres encore.

Certaines donnent les mêmes prédictions expérimentales tout en proposant des visions très différentes de ce qui se passe réellement.

Plus d’un siècle après la naissance de la mécanique quantique, une question demeure donc ouverte :

que nous dit vraiment cette théorie sur la nature de la réalité ?

À retenir

Le monde quantique n’est ni magique ni mystique.

Il est simplement profondément différent du monde auquel notre intuition nous a habitués.

À l’échelle des particules, les probabilités, la superposition, les interférences, l’incertitude et l’intrication deviennent essentielles pour décrire la nature.

Et derrière ces concepts qui semblent abstraits se cachent déjà certaines des technologies les plus importantes de notre époque.

La physique quantique nous rappelle finalement quelque chose d’assez extraordinaire :

la réalité n’a aucune obligation d’être intuitive pour l’être humain.

Et c’est peut-être justement ce qui la rend si fascinante.