Innehållsförteckning för HS No. 292 från Science & Vie

Le grand-père SA DÉCOUVERTE OFFICIELLE Le physicien allemand Max Planck (1858-1947) est le premier à avoir stipulé que l’échange d’énergie entre la lumière et la matière se fait de manière discontinue, par paquets d’énergie indivisibles, les “quanta”. Il est ainsi considéré comme le père de la mécanique quantique. Il n’approuve guère l’idée d’Einstein d’appliquer le principe des quanta à la lumière, et encore moins celle de Bohr de l’appliquer à l’atome. Il finira par admettre la validité de sa propre théorie dans les années 1920. SON RÔLE OFFICIEUX Planck est le “grand-père” de tous ceux qui, à partir de ses quanta, bâtiront la théorie. Il a ouvert la porte mais a laissé ses successeurs y entrer. Figure tutélaire de la physique de l’époque, il était peut-être déjà trop vieux, trop…

L’aristocrate trop discret SA DÉCOUVERTE OFFICIELLE Le physicien français Louis de Broglie (1892-1987) est le premier à postuler que la matière peut se comporter comme une onde. Un pilier de la mécanique quantique. SON RÔLE OFFICIEUX En théorisant la dualité, de Broglie devrait être considéré comme le fondateur de la quantique. Mais ce disciple de Paul Langevin, rejeton d’une famille noble, soufre d’une grande timidité et d’une aura en demi-teinte: malgré sa découverte, qui aurait dû le mettre au niveau d’Einstein et de Bohr, il n’a pas la reconnaissance des ses pairs et ne participe pas aux grands débats de l’époque.…

Le radical intraitable SA DÉCOUVERTE OFFICIELLE Physicien allemand, Werner Heisenberg (1901-1976) n’a que 23 ans quand il propose d’utiliser la mathématique des matrices pour le formalisme quantique. À tout juste 25 ans, il énonce le principe d’incertitude, qui stipule que la vitesse et la position d’une particule ne peuvent être déterminées conjointement avec précision. SON RÔLE OFFICIEUX Décrit comme un génie d’une grande gentillesse, ce farouche partisan de l’École de Copenhague sait se montrer radical et intraitable. Notamment envers ceux qui ne pensent pas comme lui, tel Schrödinger. Pour lui, la quantique se réduit totalement à des calculs matriciels. Regarder ce que les équations disent du monde, de l’espace et du temps ne l’intéresse pas.…

Pour beaucoup, le meilleur des mondes quantiques est à venir: l’ordinateur quantique et sa puissance vertigineuse (lire p. 50), l’internet quantique et ses communications inviolables (lire p. 56)… Bref, des révolutions technologiques qui, à en croire les experts, ne verront pas le jour avant quelques années, voire quelques décennies. Mais ce serait oublier qu’en réalité, le monde a toujours été quantique. Et que les lois physiques à l’œuvre à l’échelle des particules n’ont pas attendu la naissance de la théorie capable de les décrire pour faire partie de notre quotidien. “Des phénomènes quantiques comme les rayons X étaient d’ailleurs déjà visibles avant l’émergence de la théorie”, pointe Didier Roux, chercheur en physico-chimie et membre de l’Académie des technologies. L’émission de rayons X à la suite d’un bombardement d’électrons est effectivement…

De nombreux espoirs se fondent également sur une nouvelle approche apparue ces dix dernières années : “Il s’agit de se satisfaire des calculateurs quantiques actuels, malgré leurs sévères limitations, pour produire des solutions approchées de problèmes précis et concrets”, explique Iordanis Kerenidis, directeur de recherche à l’Irif. Cette approche, appelée NISQ (pour Noisy Intermediate Scale Quantum), repose non plus sur des algorithmes mais sur des heuristiques : “Ce sont des méthodes qui apportent une solution approximative à un problème, sans que l’on soit sûr pour autant qu’il s’agisse de l’ensemble des solutions, ou de la solution idéale”, résume-t-il. Ces heuristiques “semi-quantiques” permettent, non pas de calculer, mais d’effectuer de la simulation de molécules et de l’optimisation de problèmes complexes. “L’impératif est de sortir de premières applications utiles dans les 3…

Le 15 juin dernier, la prestigieuse revue scientifique Nature publiait un article qui fit l’effet d’une petite bombe dans le monde de la cryptologie. Et pour cause: l’équipe du Pr Jian-Wei Pan, physicien à l’université de Chine, y annonçait un exploit censé bouleverser la science de la sécurisation des communications. Son équipe a en effet battu le record de distance parcourue par un message crypté via l’intrication quantique. Grâce au satellite Micius, le seul au monde à détenir la puissance quantique, qui leur a fourni une clé sécurisée, les observatoires chinois de Delingha et de Nanshance ont pu échanger un message intrinsèquement et totalement inviolable sur une distance de 1 120 km ! “La cryptographie quantique promet une communication des données avec une sécurité inconditionnelle, indépendamment des capacités d’un éventuel…

Le malheur des uns fait parfois le bonheur des autres. Si la sensibilité des systèmes quantiques à leur environnement est la bête noire de ceux qui cherchent à utiliser la superposition et l’intrication pour faire du calcul, c’est en revanche une mine d’or pour le développement de capteurs de haute précision. “Nous tournons cette faiblesse en avantage, en exploitant le fait que l’environnement modifie les propriétés d’un système quantique. C’est un renversement de perspective”, explique Vincent Jacques, chercheur au Laboratoire Charles Coulomb, à Montpellier. Et ce n’est qu’un début! Ces capteurs représentent en effet aujourd’hui la technologie quantique la plus mature : “S’ils promettent monts et merveilles en termes de sensibilité, c’est parce qu’on espère aller au-delà des limites intrinsèques des capteurs conventionnels”, ajoute Franck Pereira Dos Santos directeur de…

Les deux grandes théories qui ont révolutionné la physique du XXe siècle ont aussi forgé un de ses plus grands dilemmes. La mécanique quantique décrypte avec brio le monde de l’infiniment petit. Et la relativité générale offre, elle, une précision inégalée pour décrire l’infiniment grand. Chacune à son échelle décrit de façon parfaite le monde qui nous entoure. Mais elles souffrent toutes deux du même problème fondamental: elles sont incompatibles. Certes, on peut concevoir qu’elles puissent être différentes: la mécanique quantique décrit un monde d’apparence discret, fluctuant et probabiliste, alors que la relativité générale dessine un Univers courbé, lisse et déterministe. Mais il y a une différence indépassable: la mécanique quantique traite des interactions fondamentales entre particules au niveau microscopique, et ignore totalement la gravité. La seconde décrit au contraire…

Penser, préférer, décider, choisir… de plus en plus de chercheurs en sciences cognitives soutiennent l’hypothèse selon laquelle notre cerveau raisonnerait de manière quantique. Non pas que le fonctionnement de nos neurones soit régi par les lois de l’étrange mécanique, mais que la manière dont ils traitent l’information pour former des raisonnements suivrait une logique quantique plutôt que classique. Ainsi, lorsque au restaurant on finit par commander le fromage plutôt que le dessert, on n’énonce pas un choix préexistant (j’ai formé dans mon esprit une préférence pour le fromage), mais on “réduirait” une situation mentale présentant au départ un état de superposition mêlant une double envie pour le fromage et le dessert. Exactement comme en mécanique quantique : c’est l’opération de mesure qui affecte une valeur déterminée à la grandeur mesurée,…

“L’émergence de nouvelles technologies, comme la physique quantique [...], est porteuse de nombreuses opportunités, mais également source de futures instabilités” Emmanuel Macron PRÉSIDENT DE LA RÉPUBLIQUE (DISCOURS SUR LA STRATÉGIE DE DÉFENSE ET DE DISSUASION, FÉVRIER 2020) “Ce que la technologie quantique nous permet, c’est de multiplier la complexité des informations tout en les encodant en un seul bit” Justin Trudeau, PREMIER MINISTRE DU CANADA (L’EXPRESS, AVRIL 2016) “Je suis convaincu que Dieu ne joue pas aux dés” Albert Einstein, PHYSICIEN (LETTRE ADRESSÉE À MAX BORN EN 1926) “Quiconque n’est pas choqué par la théorie quantique ne la comprend pas” Niels Bohr PHYSICIEN (CITÉ DANS NIELS BOHR’STIMES, IN PHYSICS, PHILOSOPHY, AND POLITY, PAR A. PAIS, 1991) “La mécanique quantique était plus ardue que toutes les autres matières combinées que j’étudiais,…

Le génie incontesté SA DÉCOUVERTE OFFICIELLE Einstein (1879-1955) construit seul la théorie de la relativité et postule, en 1905, la nature granulaire de la lumière sur la base des quanta de Planck. Puis il découvre “involontairement”, en 1935, le phénomène d’intrication. SON RÔLE OFFICIEUX Reconnu par ses pairs comme le génie de l’époque, Einstein est pourtant toujours resté à l’abri des courants et des écoles de pensée. Ni mentor ni disciples (du moins revendiqués). En questionnant sans relâche le sens de la quantique, il en sera l’un des principaux moteurs. Même si la puissance de son bon sens –le coeur de son géniel’empêchera d’admettre jusqu’à sa mort qu’une théorie puisse être séparée de la réalité qu’elle décrit. À tort.…

L’homme de la rupture SA DÉCOUVERTE OFFICIELLE Physicien autrichien, Wolfgang Pauli (1900-1958) découvre que deux électrons appartenant au même atome ne peuvent se trouver dans le même état. Ce principe d’exclusion, qui porte son nom, sera ensuite généralisé à d’autres particules. On lui doit aussi une nouvelle grandeur quantique, le spin, et une nouvelle particule, le neutrino. SON RÔLE OFFICIEUX Membre de la garde rapprochée de Niels Bohr, génie du calcul, forte personnalité, Pauli est le plus “extrémiste” de l’École de Copenhague dans sa volonté de faire table rase de l’ancienne manière de penser la physique, poussant les autres à rompre avec l’intuition. Il est parfois décrit comme le plus intelligent de tous.…

Il est théoriquement possible d’augmenter la portée des transmissions quantiques terrestres par fibre optique à l’aide de points relais, c’est-à-dire d’endroits où l’information quantique est récupérée, décodée, amplifiée, puis recodée et renvoyée dans la fibre. Mais ces relais représentent d’énormes failles dans la sécurité du système, comme autant de portes d’entrée pour un espion : puisque l’information y perd momentanément sa nature quantique, elle abandonne aussi la protection totale que celle-ci lui confère. La Chine a déjà démontré ce principe en 2017, en déployant 2 000 km de fibre optique entre Pékin, Jinan, Hefei et Shanghai, ponctués de 30 relais tout au long du parcours. Mais il a fallu les transformer en véritables bunkers étroitement sécurisés par l’armée… Une solution difficile à déployer à grande échelle ailleurs qu’en Chine.…

La sensibilité d’un capteur quantique est soumise à deux limites. La première, dite “limite classique”, survient lorsqu’on utilise le capteur en conditions réelles : il est alors secoué et perturbé par ce que l’on appelle des bruits, qui dégradent sa sensibilité. La seconde est une limite intrinsèque au capteur, liée au principe d’incertitude quantique : c’est la “limite quantique standard”. Pour atteindre la seconde limite, il faut d’abord s’affranchir de la première, ce qui implique de maîtriser les sources de bruits classiques (par exemple les vibrations), soit en s’en affranchissant, soit en protégeant l’instrument de ces perturbations. Si les capteurs quantiques permettent aujourd’hui, dans certaines conditions, de dépasser la limite classique, la seconde, elle, est plus difficile à atteindre, et à plus forte raison à dépasser. Mais impossible n’est pas…

Fin 2018, un doute s’est insinué aux États-Unis quand une baisse des budgets privés investis dans les technologies quantiques a subitement été constatée entre 2017 et 2018. Faut-il y voir les premiers signes d’un hiver quantique, autrement dit d’une période d’accalmie, voire de désintérêt, après le grand emballement des décennies précédentes, comme ce fut le cas pour l’intelligence artificielle par le passé ? Les chercheurs et les institutions interrogés (notamment la Commission européenne) sont unanimes : la réponse est non. “Tous les acteurs sont bien conscients de ce qui s’est passé avec l’IA et de la difficulté qu’il peut y avoir à prédire l’avenir. Du coup, pour éviter déconvenues et désillusions, on évite de sur-vendre”, explique Georges-Olivier Reymond DG de la start-up Pasqal. “En ce qui concerne l’Union européenne, nous…

Non-localité. Non-séparabilité. Non-clonage. Indéterminisme. Le lexique est révélateur: les grands concepts de la physique quantique ne se définissent bien souvent que par des remises en cause de concepts classiques. Et traduisent des phénomènes tous plus fantasques les uns que les autres. L’insaisissable nature de la lumière, parfois onde, parfois corpuscule. Le chat de Schrödinger, à la fois vivant et mort. La possibilité pour deux objets d’être liés entre eux par-delà le temps et l’espace… Aussi étrange que cela puisse paraître, aucune expérience n’est parvenue à faire vaciller l’édifice théorique de la mécanique quantique. À l’inverse, elle sème le trouble au sein de la communauté scientifique qui ne parvient toujours pas à trouver un consensus sur ce que cette théorie nous dit de la nature de la réalité. À l’origine de…

Depuis les expériences conduites par Alain Aspect au début des années 1980 (lire p. 32) la chose semble entendue : le monde est non-local. Autrement dit, ce qui se passe ici et maintenant peut avoir une influence instantanée sur ce qui se passe ailleurs, sans limite de distance. Une mesure réalisée sur une particule intriquée avec une autre peut avoir sur cette dernière un effet instantané à distance qui déterminerait le résultat d’une mesure effectuée sur la seconde particule. Pour étrange que soit cette conclusion, elle serait une conséquence incontournable de la mécanique quantique. Cependant, comme l’ont fait remarquer plusieurs auteurs depuis une quinzaine d’années, une autre lecture est possible. Car à y bien regarder, tant que les deux expérimentateurs n’ont pas échangé sur leurs résultats de mesure respectifs –…

La Quantique autrement De Julien Bobroff Éd. Flammarion, 256 pp., 20 € Quand on s’intéresse à la quantique, la première crainte est de trébucher sur sa complexité et de voir son élan stoppé net. Comment expliquer simplement cette discipline, l’une des plus pointues de la physique, sans que la marche soit trop haute à franchir? C’est à cet exercice de haute volée que s’est frotté Julien Bobroff. Avec l’aide d’un illustrateur, ce spécialiste de la physique quantique et de sa vulgarisation (c’est son domaine de recherche !) passe en revue ses grandes “étrangetés”: dualité, intrication, superposition, incertitude… Mais aborde aussi des concepts moins connus comme la supraconductivité ou la biologie quantique. Il s’arrête bien sûr sur l’ordinateur quantique pour en détailler le fonctionnement et les applications potentielles. Un chemin bien…

Le grand gourou SA DÉCOUVERTE OFFICIELLE Le physicien danois Niels Bohr (1885-1962) est le premier à transposer le principe de quantification de Planck et Einstein à la matière : en 1913, il conçoit le premier modèle quantique de l’atome d’hydrogène. Et élaborera la première théorie quantique des éléments chimiques. SON RÔLE OFFICIEUX Forte personnalité, Bohr est le grand gourou du courant rejetant la vision classique et intuitive des théories défendue par Einstein. Le principal génie de cet homme charismatique est d’avoir su repérer et fédérer les plus grands talents de l’époque sur les bancs des universités. Pauli, Heisenberg, Dirac… qui formeront l’École dite “de Copenhague”, où il dirigeait l’Institut de physique. Les physiciens se délectent aujourd’hui encore des réponses talentueuses qu’il faisait à chaque critique soulevée par Einstein.…

L’électron libre SA DÉCOUVERTE OFFICIELLE Le physicien autrichien Erwin Schrödinger (1887-1961) a formulé l’équation centrale de la physique quantique, qui décrit l’évolution d’un système quantique dans le temps. Il est aussi connu pour l’expérience de pensée du “chat”, censée pointer le problème du passage du quantique au classique. SON RÔLE OFFICIEUX Schrödinger se rallie un temps aux réalistes, avec Einstein, et cherche à percevoir le sens commun dans la quantique. Ce qui conduisit ce personnage au caractère bien trempé à s’opposer avec éclat à Heisenberg. Mais il finira par rallier les bohriens.…

Notre processeur quantique Sycamore effectue en 200 secondes une tâche que le meilleur supercalculateur mettrait près de 10000 ans à exécuter.” Telle est, en substance, l’annonce fracassante publiée par Google dans la revue Nature d’octobre 2019. L’entreprise américaine revendique ainsi être la première à atteindre la “suprématie quantique”, autrement dit à avoir surclassé le meilleur des ordinateurs classiques. Mais qu’en disent les spécialistes? Cette performance signe-t-elle enfin notre entrée dans l’ère de l’ordinateur quantique et de ses formidables promesses ? “Cette annonce illustre l’accélération de la recherche et les progrès effectués ces dernières années dans ce domaine”, salue Iordanis Kerenidis, directeur de recherche à l’Institut de recherche en informatique fondamentale (Irif), à Paris. “C’est un résultat impressionnant et solide publié dans une revue relue par les pairs”, confirme Simon Perdrix,…

D’où viennent ces étranges règles qui contredisent les lois classiques ? Que nous disent-elles sur la nature? Que penser de la superposition, ce bizarre don d’ubiquité qui permet à une particule d’être à la fois à un endroit et à un autre? Ou de l’intrication, cette sorte de télépathie entre objets quantiques? “Les effets quantiques sont déstabilisants et paradoxaux parce que nous n’avons aucune intuition ni compréhension qui permettrait de les décrire”, atteste l’un de ses grands théoriciens actuels, Sandu Popescu. Voilà cent ans que les physiciens sont confrontés à ce problème. La physique quantique a fait ses preuves, certes. Mais il est difficile de comprendre ce qu’elle raconte du monde. Sauf à invoquer des pouvoirs étranges. Aussi ont-ils longtemps essayé de l’interpréter et de la traduire (lire p. 84).…