Cent ans de révolution quantique

"Les principes de la physique classique et plus généralement les concepts familiers, ceux auxquels la vie quotidienne nous confronte, ne sont pertinents que dans un monde limité. Aux portes de l'infiniment petit, ils semblent brutalement faire faillite", résume le physicien et philosophe Etienne Klein dans son ouvrage "Petit voyage dans le monde des quanta" (ed. Flammarion).

Ce constat déroutant est celui fait par des physiciens - dont Max Planck et Albert Einstein - au début du XXe siècle. A l'époque, les progrès scientifiques et technologiques permettent d'observer des phénomènes qui s'avèrent inexplicables avec les lois de la physique classique. Ces dernières divisent le monde en deux sortes d'objets de nature a priori incompatible: les "corpuscules" - des entités matérielles localisées dans l'espace - et les ondes - des perturbations qui se propagent en transportant de l'énergie.

Or la lumière, qui a manifestement des caractéristiques ondulatoires, semble parfois se comporter comme si elle était composée de grains d'énergie: des "quanta", comme les avaient baptisés Planck. Les mêmes questions se posent pour l'électron.

Emerge alors une idée révolutionnaire: dans l'infiniment petit, les particules sont à la fois des corpuscules et des ondes. Cette dualité leur confère des propriétés impensables dans le monde macroscopique, comme la superposition: une particule peut avoir simultanément plusieurs positions, vitesses ou niveaux d'énergie différents.

Comment décrire le comportement de telles particules, dont les propriétés n'ont pas de valeur définie, telles le fameux chat de Schrödinger, enfermé dans une boîte avec une fiole de poison et que l'on est obligé de considérer à la fois comme vivant et mort ?

En utilisant les probabilités. Il y a 100 ans, en 1925, Erwin Schrödinger et Werner Heisenberg élaborent un ensemble d'outils mathématiques complexes qui aident à prédire les résultats de mesures effectuées sur une particule ainsi que la probabilité d'obtenir l'une d'elles lors d'une expérience donnée.

"La physique quantique décrit le monde au travers de mathématiques qui se passent dans des espaces abstraits, très éloignés de notre monde. Vous êtes dans un espace de Hilbert (qui peut avoir une nombre infini de dimensions, ndlr), vous manipulez des objets mathématiques étranges", soulignait récemment Alain Aspect, prix Nobel de physique 2022. "Mais ça fonctionne! Ca permet de décrire le fait que la matière soit stable ou comment la lumière est émise par les atomes", expliquait-il à la presse à l'occasion de la sortie de son livre "Si Einstein avait su" (ed. Odile Jacob). Et permet de prédire une autre propriété de l'infiniment petit: l'intrication.

Si deux particules séparées dans l'espace ont interagi par le passé, elles restent liées: l'état (position, niveau d'énergie...) de l'une dépend immédiatement de l'état de l'autre.

Si éloignée de notre monde qu'elle puisse paraître, la physique quantique fait partie de notre quotidien: le transistor - composant-clé de tous les appareils électroniques qui permet d'amplifier un signal électrique -, le laser, l'IRM, les LEDs... sont nés grâce à elle. De nouvelles applications sont en train de voir le jour. Comme la cryptographie quantique, où l'on utilise des particules intriquées pour créer la clé de chiffrage, la rendant inviolable.

Le grand espoir est l'ordinateur quantique. Les bits de l'ordinateur classique, qui ne peuvent avoir que deux états (0 ou 1) y sont remplacés par des particules, les "qubits". Grâce à la superposition et à l'intrication, ils ont une infinité d'états possibles entre 0 et 1 et leur puissance de calcul est démultipliée.

L'ordinateur quantique pourrait traiter en des temps records des opérations extrêmement complexes, comme les prévisions météorologiques ou l'équilibrage du réseau électrique. Mais les obstacles pour y parvenir sont énormes. Au premier rang, figure la "décohérence": en interagissant avec leur environnement, les particules perdent leurs propriétés quantiques, générant des erreurs de calcul. Ce phénomène s'accroît avec le nombre de qubits et, si les chercheurs travaillent sur des solutions technologiques, on ne sait pas si elles existent. "Après tout, il pourrait y avoir des lois fondamentales qui font qu'à partir d'une certaine taille, ça ne marche plus", note M. Aspect.