Le monde quantique

La physique quantique est née au début du XXe siècle, avec les travaux fondateurs de Planck, Einstein, Bohr, de Broglie, bientôt suivis par la mise en forme cohérente par Heisenberg, Schrödinger et Dirac du formalisme mathématique encore utilisé aujourd'hui. Il permet de décrire l'ensemble des phénomènes microscopiques qui échappent à l'électrodynamique classique, synthèse des deux grandes théories physiques achevées au XIXe siècle, la mécanique d'une part et l'électromagnétisme de l'autre. Les plus grands physiciens tels Lorentz avaient en effet échoué dans leurs tentatives de comprendre la stabilité de la matière, dont on savait qu'elle était composée de charges positives et négatives qui, en s'attirant, auraient dû aboutir à l'effondrement de la matière sur elle-même. Le modèle d'atome de Rutherford, sorte de système solaire où les électrons tournent autour du noyau comme les planètes autour du Soleil, n'échappait pas à l'objection car une charge électrique que l'on force à changer de direction émet du rayonnement (c'est le principe des sources de rayonnement synchrotron). Elle perd donc de l'énergie et va finir par tomber sur le noyau, comme un satellite freiné par les frottements sur les couches supérieures de l'atmosphère finit par tomber sur la terre.

Au même moment, Heisenberg développait un formalisme totalement différent, la mécanique des matrices, qui aboutissait aux mêmes valeurs, en accord avec les mesures spectroscopiques, pour les longueurs d'onde des radiations émises par l'atome d'hydrogène. Dans une synthèse éblouissante, Schrödinger montrait l'équivalence entre les deux approches, et Dirac décrivait l'ensemble dans un formalisme d'une élégance sublime, que nous utilisons toujours. La mécanique quantique sous sa forme moderne était à la disposition des physiciens. Ses succès étaient innombrables puisqu'elle permettait enfin de comprendre la structure de la matière et sa stabilité, ainsi que ses propriétés mécaniques, électriques, thermiques et optiques. Elle permettait également de décrire des phénomènes stupéfiants comme la superfluidité de l'hélium, c'est-à-dire l'absence totale de résistance à l'écoulement de ce liquide, ou la supraconductivité électrique, le fait que certains matériaux, portés à une température suffisamment basse, peuvent conduire le courant électrique sans aucune perte. Enfin, au lendemain de la seconde guerre mondiale, la mécanique quantique allait permettre deux inventions qui devaient bouleverser nos sociétés, le transistor et le laser. Sans ordinateurs, dont la puissance résulte de l'intégration d'un nombre immense de transistors, et sans communications par fibres optiques rendues possibles par les lasers, nous ne serions pas entrés dans la société de l'information et de la communication. Il n'est donc pas exagéré de parler de révolution quantique, pour désigner cet impressionnant ensemble de progrès d'abord dans notre compréhension de la structure et des propriétés de la matière, puis dans des technologies nouvelles allant des autoroutes de l'information aux ordinateurs portables, en passant par l'imagerie médicale par résonance magnétique.

Cette révolution scientifique et technique de la première partie du XXe siècle s'est accompagnée d'une autre révolution tout aussi radicale, dans la façon dont nous nous représentons le monde. Avec la mécanique quantique il a fallu admettre que les particules se comportent parfois comme des ondes, et réciproquement que la lumière, dont la plupart des propriétés sont celles d'une onde électromagnétique, se comporte parfois comme un flux de particules, les photons. Cette dualité ondeparticule est au coeur de la plupart des phénomènes quantiques connus en 1960, au point que Richard Feynman n'hésitait pas à écrire à son sujet, dans son fameux cours de physique : " un phénomène qu'il est impossible, absolument impossible, d'expliquer de façon classique, et qui porte en lui le coeur de la mécanique quantique. En réalité, il contient le seul mystère ".

En fait les années 1960 allaient voir l'émergence d'une nouvelle révolution quantique, basée d'abord sur la prise de conscience de l'importance d'un autre concept quantique, l'intrication, introduit en 1935 par Einstein et ses collègues Podolsky et Rosen d'une part, et Schrödinger d'autre part.

Le tout est plus que l'ensemble des parties, et cela même si les parties sont parfaitement séparées dans l'espace-temps, de sorte que la relativité interdit toute communication entre ces parties, par quelque interaction que ce soit. Cela se traduit par l'existence de corrélations beaucoup plus fortes que celles que la physique classique autorise, comme le montre la violation des inégalités de Bell, amplement vérifiée par l'expérience. Il fallut attendre la découverte de ces inégalités, en 1964, pour que l'on comprenne l'importance de l'intrication, et c'est à de telles inégalités que se réfère le même Feynman lorsqu'il finit par écrire, en 1982 : " Je me suis toujours illusionné en ramenant la difficulté de la mécanique quantique à un élément de plus en plus petit, et en étant de plus en plus ennuyé par cet élément. Il peut sembler ridicule de pouvoir le ramener à la question numérique de savoir si une chose est plus grande qu'une autre. Mais voilà, elle est plus grande que ce que n'importe quel raisonnement logique peut prédire. . . ". Au-delà de la révolution conceptuelle entraînée par la prise de conscience du caractère radicalement nouveau de l'intrication, une révolution scientifique allait immédiatement suivre, dont les prémices se trouvaient explicitement dans l'article de Feynman que nous venons de citer : il s'agit de la possibilité de concevoir des ordinateurs quantiques, dont la puissance de calcul serait exponentiellement plus grande au sens exact du terme, que n'importe quel ordinateur classique. À la même époque, à partir des années 1960, les physiciens devenaient capables d'isoler, de contrôler et d'observer des objets quantiques uniques, qu'il s'agisse d'un électron, d'un photon, d'un ion, d'un atome ou d'une molécule. L'ensemble de ces avancées conceptuelles et expérimentales ont permis le développement rapide d'un nouveau champ de recherche, l'information quantique, qui se propose d'utiliser les ressources les plus extraordinaires de la physique quantique, et en particulier l'intrication, pour traiter et transmettre l'information. Il est trop tôt pour savoir si les progrès remarquables déjà obtenus aboutiront à la révolution technologique énorme que constituerait la réalisation d'un ordinateur quantique, mais les conséquences d'un tel succès justifieraient amplement l'expression " seconde révolution quantique ".

Le livre de Michel Le Bellac a l'immense mérite de tirer les conséquences des avancées récentes, et de présenter de façon synthétique les concepts à la base des deux révolutions quantiques, ainsi qu'un certain nombre de phénomènes remarquables qui ne peuvent être décrits que dans ce cadre conceptuel. On y trouvera aussi bien la description d'expériences d'interférences photon par photon illustrant la " mystérieuse " dualité onde-particule, que l'application de la physique quantique aux lasers à semi-conducteurs présents dans tous les lecteurs de DVD.