Une fois comprise les notions de fonction d'onde et de superposition, on peut aborder l'aspect principal pourrait-on dire de la mécanique quantique : l'intrication quantique. Ne t'inquiète pas mon cousin, tu vas comprendre.

Une paire d'objets intriqués doit obligatoirement être considérée comme un système unique décrit par un état global qu'on ne peut pas décomposer en deux états distincts. Un tel concept est assez facilement acceptable lorsqu'on étudie par exemple un électron en orbite autour d'un noyau atomique d'hydrogène. L'électron d'hydrogène ne tourne pas autour d'un proton comme on l'a appris à l'école, mais se trouve au même endroit et au même moment tout autour du proton de l'hydrogène.

Il devient en revanche très étonnant lorsqu'il s'applique à deux objets si éloignés l'un de l'autre qu'aucun signal physique (c'est-à-dire se propageant à une vitesse inférieure ou égale à celle de la lumière) ne peut les relier. L'application de ce principe de superposition au cas de deux photons amène au phénomène d'intrication.

Explications.

Soit une source qui produit deux photons dont les polarisations (= particules chargées libres mises en mouvement sous l'impulsion d'un champ électrique) sont obligatoirement différentes : l'état produit pourrait être décrit par la fonction d'onde N1X (Nord, photon n° 1, de la longueur d'onde X) ou par la fonction d'onde E2Y (Est, photon n° 2 de la longueur d'onde Y), mais il est en fait en général décrit par une superposition de la forme N1X + E2Y.

Le premier photon se propage jusqu'à un détecteur A, le second vers un détecteur B, A et B étant situés très loin l'un de l'autre. Lorsque A effectue sa mesure sur le photon numéro 1, il ne projette pas la fonction d'onde de ce seul photon, mais celle de tout le système N1X + E2Y.

Par contre, si le détecteur A indique une polarisation nord, la fonction d'onde du système (N1X + E2Y) devient uniquement N1X. Le détecteur B indiquera une polarisation du photon numéro 2 obligatoirement est. Si le détecteur A indique une polarisation est, le détecteur B indiquera une polarisation du photon numéro 2 obligatoirement nord.

J'ai réalisé le petit schéma ci-dessous qui aide à mieux comprendre.

On voit donc que la polarisation du photon 2 est déterminée "à distance". Les deux photons mesurés par les deux détecteurs, bien qu'éloignés, sont restés intriqués : la connaissance de la polarisation de l'un induit la valeur de la polarisation de l'autre.

Si, en physique classique, l’état d’un système est parfaitement défini par la position et la vitesse de l'ensemble de ses composants – il ne peut être alors que dans un seul état à un moment et à un endroit donné - il n’en va pas de même en physique quantique. Un système quantique, tel qu'une simple onde-corpuscule, peut se trouver dans une superposition cohérente d'états, qui traduit la potentialité de tous ses états possibles. Sa présence à un endroit donné, son énergie deviennent alors probabilistes : ainsi, un atome peut être à la fois dans son état fondamental stable et dans un état excité (c’est-à-dire possédant une énergie supérieure, acquise par exemple par l'absorption d'un photon). Un photon peut être à un endroit et à un autre en même temps. On ne peut être certain qu'il est en un seul lieu que si l'on effectue une mesure. Le processus de mesure impose alors à l’onde-corpuscule un état défini.

Le physicien Schrödinger a utilisé une image d'expérience de pensée, devenue célèbre pour mettre en avant le côté paradoxal d’objets dont on ne peut pas connaître l’état à tout moment. Il a imaginé un chat "quantique", enfermé dans une boîte sans fenêtre en présence d’un poison déclenché par un processus quantique. Tant que la boîte n’est pas ouverte, on ne sait pas si le processus quantique a déclenché le mécanisme, le chat est à la fois mort et vivant avec des probabilités dépendant du processus. Bien sûr, quand on ouvre la boîte le chat est soit mort, soit vivant. En regardant à l’intérieur, on fait une mesure qui nous permet de connaître l’état quantique du système.

Comme tout le monde le sait, quand on fait une soirée chez soi et qu'on met la sono à fond, les voisins entendent la musique de façon atténuée, mais entendent quand même. Cela veut dire que certaines ondes de la musique ont traversé le mur comme s'il existait des petits tunnels, d'où l'expression "l'effet tunnel".

Il en est de même pour la mécanique quantique et les ondes des objets. Un obstacle, une petite partie des ondes traverse ledit obstacle, et donc certains électrons se retrouvent de l'autre côté de l'obstacle.

L'énergie joue une place également importante. Dans le macroscopique, l'énergie des objets peut varier à volonté et nous en avons la maîtrise. En mécanique quantique (parfois appelé mécanique ondulatoire), les choses sont différentes, l'électron ne peut pas varier son énergie en tournant autour du proton. Pour simplifier, on peut dire qu'il a quelques orbites sur lesquels il peut tourner et être présent partout sur l'orbite, mais il ne peut pas avoir une graduation d'énergie régulière. Elle sera, dirons nous, par paliers.

Les orbites sont ainsi numérotées de 1 à 4 afin de connaître les différentes énergies de l'électron, la position 1 étant l'énergie la plus faible.

La mécanique quantique, y compris ses propriétés probabilistes, repose sur des formulations mathématiques. Il n'y a pas de philosophie ni d'improvisation contrairement à ce que l'on pourrait croire.

À QUOI SERT LA MÉCANIQUE QUANTIQUE AUJOURD’HUI ?

Quelques effets sont emblématiques de la mécanique quantique :

• L’effet laser est obtenu dans un système où les électrons sont majoritairement dans un même état excité et se désexcitent tous ensemble en émettant cette lumière intense. Cette transition des électrons d'un niveau d'énergie à un autre est un processus quantique.
• La supraconductivité est la disparition de toute résistance électrique dans un conducteur. Elle apparaît lorsque les électrons, portant une même charge électrique, peuvent s’apparier et se condenser dans un unique état quantique.
• L’effet tunnel permet à des électrons de franchir une « barrière » de potentiel ce qui est strictement interdit en physique classique (vu ci-dessus).

• Le spin est une propriété quantique sans équivalent classique, à l'origine des propriétés magnétiques de la matière.

Applications de la physique quantique :

• La cryptographie quantique (sécurisation des données)

• La téléportation quantique de l'information

Une autre application du phénomène d'intrication est ce qu'il est convenu d'appeler – avec une connotation malheureusement volontaire de sensationnalisme fort éloigné de la rigueur scientifique – la téléportation quantique.

La téléportation d'un état de polarisation d'un photon à un autre photon a été réalisée en 1997 par l'équipe d'Anton Zeilinger de l'université de Vienne (Autriche). Quelques années plus tard, l'information contenue dans l'état électronique d'un ion de calcium fut téléportée vers un autre ion par deux équipes indépendantes de physiciens américains et autrichiens.

• ordinateur quantique

Si l'on ne dispose pas encore d’une véritable technologie d’ordinateur quantique, qui permettrait d'exploiter toute la puissance du calcul quantique (novembre 2022), de nombreuses routes sont néanmoins explorées aujourd’hui. Le calcul quantique ambitionne d'utiliser les propriétés quantiques ultimes de la matière (la superposition, l'intrication et la non-localité) pour effectuer massivement des opérations sur des données grâce à l'ordinateur quantique. Il permettrait de ce fait de dépasser très largement les capacités offertes par les ordinateurs classiques.

Le calcul quantique s’appuie sur des qubits, pendants quantiques des bits classiques. D’un point de vue physique, les qubits sont des systèmes matériels pouvant être mis dans deux états quantiques distincts. Conformément aux lois de la physique quantique, le qubit peut être placé dans un ensemble continu de superpositions de ses deux états de base, contrairement au bit classique qui ne peut prendre que deux valeurs (0 ou 1). Les bits quantiques, ou qubits (quantum + bit), sont des unités de stockage d’information dont l’état quantique peut posséder plusieurs valeurs (c’est le principe quantique de la superposition).

Comme les bits classiques, les qubits peuvent être utilisés pour encoder une information et soumis à des portes quantiques (équivalents des portes logiques).

Les constructeurs d'ordinateurs ont compris que l'ordinateur quantique est, de toute évidence, l'ordinateur de l'avenir. Alors, ils se lance à fond là-dedans.

Courant novembre 2022, IBM a annoncé sa dernière génération de sa famille de processeurs quantiques. Le processeur Osprey est le premier à offrir plus de 400 qubits, et IBM prévoit de lancer le premier processeur de 1 000 qubits l'année prochaine. Avec ses 433 qubits, Osprey a le potentiel d'exécuter des calculs quantiques complexes bien au-delà de la capacité de calcul de n'importe quel ordinateur classique.

Mais il reste encore beaucoup de chemin à parcourir avant l'arrivée du fabuleux système à 4 158 qubits, prévue pour 2025 par IBM.

Mais Fujitsu ne veut pas être en reste ! Fujitsu a déclaré qu'il travaillait à proposer aux clients un courtier en charge de travail informatique qui utilisera l'IA pour sélectionner automatiquement les ressources les plus "optimales" pour une application à partir d'un mélange de technologies de calcul intensif et d'informatique quantique.

 

• les diodes électroluminescentes (DEL)

La physique quantique permet de comprendre comment les diodes électroluminescentes (DEL ou LED en anglais) émettent de la lumière et pourquoi chaque DEL possède une couleur spécifique.

• le microscope à effet tunnel

L’effet tunnel est utilisé dans le microscope du même nom. Dans un tel microscope, une pointe métallique est placée très proche d'une surface conductrice avec une différence de potentiel de quelques volts. Bien que sans contact électrique direct entre pointe et surface, un courant tunnel s'établit. Lors d'un balayage de la surface par la pointe à courant constant, l'enregistrement de la distance pointe-surface donne une image de la surface à la résolution atomique.

• les orbitales atomiques

Les électrons entourent les noyaux des atomes. La mécanique quantique décrit le nuage électronique sous la forme d'orbitales dont la forme reflète la probabilité de présence de chaque électron dans l'espace. Cette description sous forme d'orbitales permet de décrire et comprendre la façon dont les atomes se rassemblent pour constituer molécules ou solides.

Albert Einstein, père de la relativité, a joué un rôle majeur dans la genèse de la mécanique quantique, notamment en interprétant, en 1905, l'effet photoélectrique en termes de quanta lumineux, ou photons, ce qui lui vaudra le prix Nobel.

Cependant, lorsque, vers la fin des années 1920, la théorie quantique est en passe d'être formulée de façon cohérente, Einstein va se dresser contre l'interprétation qui se construit, appelée aujourd'hui « interprétation de Copenhague » défendue par Niels Bohr.

Afin d'expliciter leur position, Einstein et ses collaborateurs Boris Podolsky et Nathan Rosen (E.P.R.) publient, en 1935, dans Physical Review, un argument qui vise à démontrer l'incomplétude de la mécanique quantique, en s'appuyant sur les prédictions de la mécanique quantique elle-même ; pour cette raison, cet argument est parfois appelé « paradoxe » E.P.R.

C'est donc le concept de réalité physique séparable qui est au cœur du débat.

Pour Einstein, le monde peut être conçu comme formé d'entités localisables dans l'espace-temps, munies de propriétés qui constituent leur réalité physique. Ces entités ne peuvent interagir que localement au sens relativiste, c'est-à-dire via des interactions ne se propageant pas plus vite que la lumière. Une telle conception du monde est appelée réaliste locale, ou séparable.

Bien que se disant lui aussi un physicien réaliste, Bohr propose une version différente (et, il faut bien le dire, moins claire) de la réalité physique. En refusant de considérer une réalité physique indépendante de l'appareil de mesure, il peut résister à l'attaque d'Einstein, qui cependant n'admettra jamais cette réfutation.

Le débat entre les deux hommes durera jusqu'à leur mort, sans qu'aucun argument nouveau vraiment décisif soit ajouté au dossier.