5 concepts peuvent vous aider à comprendre la mécanique quantique et la technologie – sans mathématiques !

Si vous avez entendu parler de la mécanique quantique ou si vous l’avez lue, vous l’avez peut-être qualifiée d' »étrange ». Même le grand Albert Einstein, l’un des fondateurs de la mécanique quantique, a qualifié certains aspects de la théorie d' »étranges ».

Avec ses particules qui ressemblent à des ondes et ses ondes qui ressemblent à des particules, la mécanique quantique remet certainement en question nos intuitions sur la façon dont le monde fonctionne. Accepter ce qui est contre-intuitif pour nous – tout en s’efforçant d’en apprendre davantage – est un aspect très important de la science !

La quantique peut sembler intimidante parce qu’elle traite de la nature granulaire et floue de l’univers et du comportement physique de ses particules les plus minuscules que nous ne pouvons pas voir avec nos yeux. Ce n’est pas parce que nous n’avons pas expérimenté le monde quantique comme nous pouvons voir les effets de la gravité que le quantique doit être « bizarre » ou « sinistre ».

Les fondateurs de la mécanique quantique l’ont peut-être trouvée « bizarre » parce qu’elle était différente de la physique à laquelle ils étaient habitués. Mais c’était il y a plus de 100 ans. La mécanique quantique est tout simplement ce qu’elle est !

Je suis passionnée par l’idée d’inverser le scénario du quantum et de le rendre accessible à tous.

Dans ce billet, je vais tenter de normaliser la mécanique quantique en établissant des analogies avec des concepts que vous connaissez et comprenez peut-être déjà.

J’essaierai également d’expliquer les cinq choses qui, selon moi, embrouillent les gens à propos de la mécanique quantique (ne vous inquiétez pas, il n’est pas nécessaire de faire des mathématiques ! (Vous n’avez probablement pas besoin de comprendre la mécanique quantique en profondeur, mais j’espère que cela vous aidera à y réfléchir et à voir comment elle s’applique à votre vie.

Le monde merveilleux de Quantum

Lorsque vous zoomez sur la matière à l’échelle quantique, la nature devient granuleuse. À cette échelle, on trouve de minuscules particules telles que :

• Photons: particules de lumière sans masse ni charge.
• Electrons: particules subatomiques qui constituent l’atome, transportent l’électricité et ont une charge et une masse.
• Quarks: les éléments constitutifs des protons et des neutrons.

Vous pouvez également considérer la matière comme une image numérique : Si vous zoomez suffisamment sur une image, vous commencez à voir qu’elle est composée de pixels individuels.

La physique classique régit le mouvement des choses que nous pouvons voir, comme les balles de baseball et les planètes. La physique quantique est un monde que nous ne pouvons pas facilement voir. Si un aspect de la physique quantique est substantiellement différent de la physique classique, c’est que la physique à l’échelle quantique n’est pas seulement granulaire, mais aussi « floue ».

Lorsque nous faisons un zoom sur une image, un pixel semble avoir une limite bien définie, ou bien est-ce le cas ? Si vous pouviez zoomer sur les atomes et les particules subatomiques qui composent le pixel, vous verriez que les particules subatomiques ne sont pas bien définies. Leurs limites et leur comportement ne sont pas très clairs. C’est comme si vous dessiniez une ligne « parfaite » à l’aide d’un crayon et d’une règle. Si vous regardez cette ligne au microscope, les bords semblent plus instables que droits.

Le manque de clarté de la mécanique quantique crée des comportements uniques. Les conséquences de ces comportements ont laissé perplexes les physiciens qui ont été les premiers à essayer de comprendre la mécanique quantique. Ces comportements sont les suivants :

1. Dualité onde-particule: De minuscules particules semblent se comporter comme des ondes ou des particules, selon la manière dont vous les observez.
2. Superposition: Dans le monde quantique, les particules peuvent exister dans plusieurs états à la fois.
3. Le principe d’incertitude d’Heisenberg: La nature impose une limite fondamentale à la précision avec laquelle vous pouvez mesurer quelque chose. (Vous ne pouvez pas mesurer certaines paires de propriétés en même temps avec une précision illimitée).
4. Enchevêtrement: Deux choses peuvent être tellement interconnectées qu’elles s’influencent mutuellement, quelle que soit la distance qui les sépare.
5. Spin: Le spin est une caractéristique fondamentale des particules élémentaires. Comme la masse ou la charge, le spin détermine le comportement d’une particule et son interaction avec d’autres particules.

J’expliquerai comment ces comportements sont au cœur des technologies quantiques émergentes, telles que l’informatique et la cryptographie quantiques, et comment ils se manifestent de manière fantastique dans le monde naturel.

Dualité onde-particule

Le flou au niveau granulaire est dû au fait que ces minuscules particules agissent un peu comme des ondes (semblables aux ondes de l’eau et aux ondes radio). Rappelez-vous la définition de la dualité onde-particule : De minuscules particules comme les électrons et les photons peuvent se comporter comme des ondes ou des particules, selon la façon dont vous les observez. Les propriétés ondulatoires des particules au niveau quantique sont comme des vagues d’eau ; elles peuvent interférer les unes avec les autres, ce qui produit des « ondulations ». Ces ondulations nous permettent de prédire le comportement des particules (où elles sont le plus susceptibles de se trouver, quelle énergie elles sont susceptibles d’avoir et comment elles interagissent avec d’autres particules).

Prenons l’exemple de la lumière.

Lorsque la lumière traverse des gouttelettes d’eau, elle peut agir comme des vagues qui forment les magnifiques motifs d’un arc-en-ciel.

En revanche, lorsque la lumière frappe un panneau solaire, elle se comporte comme une particule. Parce que nous observons l’énergie des photons se déposer par morceaux (comme une balle solide frappant un écran), nous les percevons comme se comportant comme des particules.

Superposition

Pour mieux comprendre les états énergétiques des particules, je peux faire une analogie avec les instruments de musique. Les instruments ont de nombreuses notes (tons, vibrations ou fréquences) sur lesquelles ils peuvent sonner. Lorsque vous ajoutez de l’énergie à un atome, par exemple, vous pouvez exciter le nuage d’électrons qui entoure l’atome, comme si vous frappiez un tambour. De même qu’un instrument de musique peut émettre plusieurs sons en raison de la structure mécanique du tambour, la superposition permet aux particules d’exister dans plusieurs « états » en même temps. Cela est dû à la force ou à la « tension » que le noyau exerce sur le nuage d’électrons.

La superposition en action

La superposition est extrêmement utile dans les technologies quantiques. Par exemple, la superposition est utilisée pour faire osciller les atomes dans les horloges atomiques. Il est également important de noter que les physiciens ont un contrôle assez important sur la superposition dans les systèmes bien contrôlés tels que les horloges atomiques. Les physiciens peuvent contrôler l’atome pour qu’il se trouve dans un état électronique ou un autre. Ils peuvent également créer une superposition des deux états.

Vous pouvez imaginer la superposition comme un pendule oscillant entre deux positions (l’une à l’extrême gauche et l’autre à l’extrême droite). Lorsqu’il oscille, le pendule n’est dans aucune position, mais il oscille d’une position à l’autre. Le « balancement » entre les plateformes est l’oscillation qui forme le signal de l’horloge, tout comme l’oscillation d’un pendule, mais beaucoup plus rapidement !

Le principe d’incertitude de Heisenberg dans les mesures

La notion d’incertitude existe pour les mesures de tous les systèmes physiques mais devient vraiment évidente à l’échelle quantique.

Lorsque vous essayez de mesurer l’état d’un système, vous le perturbez inévitablement à un certain niveau. Pourquoi ? Parce que pour l’observer, vous devez généralement interagir avec lui à l’aide d’une sonde.

Par exemple, nous utilisons les photons qui rebondissent sur les objets pour les voir avec nos yeux, une forme de mesure qui nous permet d’évaluer la position, le mouvement et la taille d’un objet. La lumière qui rebondit sur un gratte-ciel n’a pas une énergie suffisante pour le perturber de manière significative. Mais si le gratte-ciel était aussi petit qu’un électron, l’énergie pourrait devenir suffisamment comparable à celle du gratte-ciel pour perturber son état de manière significative.

Cela fait partie de l’essence du principe d’incertitude d’Heisenberg, qui stipule que l’acte de mesure perturbe l’état quantique de l’objet. Par conséquent, il existe des limites à la précision avec laquelle certaines paires de propriétés, telles que la position et la quantité de mouvement, le temps et l’énergie, peuvent être connues simultanément.

Enchevêtrement

L’intrication quantique se produit lorsque les états quantiques de deux ou plusieurs particules sont fortement corrélés. Cela signifie que l’état d’une particule peut instantanément influencer l’état de l’autre, quelle que soit la distance. Une analogie courante pour comprendre la corrélation consiste à considérer deux photons intriqués comme deux pièces de monnaie qui tombent toujours du même côté lorsque vous les retournez.

Dans la distribution quantique des clés (QKD), des photons intriqués sont utilisés pour échanger en toute sécurité des clés cryptographiques (comme dans les transactions financières pour les banques ou les messages militaires top secret). Si un espion tente d’intercepter les photons, le fait de les mesurer perturbe leur état quantique, provoquant un changement détectable dans la corrélation entre les photons. Cette perturbation alerte les parties communicantes de la présence d’un espion, ce qui garantit la sécurité de l’échange de clés.

L’intrication en action : communication et calcul quantiques

L’intrication et la superposition sont utilisées dans de nombreuses technologies quantiques récentes développées aujourd’hui, telles que les réseaux quantiques, la communication quantique et l’informatique quantique. Les bits quantiques, ou qubits, qui sont intriqués les uns avec les autres ont un « avantage quantique » potentiel qui peut leur permettre de résoudre certains calculs beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques et qui permet une amélioration exponentielle de la puissance de calcul avec le nombre de qubits.

La rotation

Alors que la dualité onde-particule, la superposition, le principe d’incertitude d’Heisenberg et l’intrication sont autant de manifestations du fait que les systèmes quantiques ont un comportement ondulatoire, le spin est à part.

Bien que profondément associé à la mécanique quantique, le spin n’est qu’une caractéristique que possède une particule lors de sa création, à l’instar de la masse et de la charge. Malgré son nom, le terme « spin » ne signifie pas que la particule tourne réellement.

Le spin des électrons, des neutrons et des protons qui composent un atome leur permet de former des structures stables, telles que les éléments, les planètes et notre corps. Votre propre corps et tout ce avec quoi vous interagissez dans le monde physique existe dans sa forme actuelle parce que le spin donne du volume aux particules ! Les électrons ne peuvent pas occuper le même espace en raison de leur spin. C’est ce qui donne du volume à la matière.

Les photons ont un spin différent de celui des électrons, des protons et des neutrons, ce qui leur permet d’occuper le même espace. Cela leur confère des qualités remarquables. Si vous l’avez remarqué, vous pouvez sentir la chaleur de la lumière et vous pouvez la voir, mais vous ne pouvez pas la tenir ou la toucher comme vous pouvez tenir des objets faits de matière tels que des crayons, des tables et des animaux domestiques.

La rotation en action : les lasers

Le fait que les photons puissent occuper le même espace est à l’origine de l’étonnante utilité du laser. Dans les lasers, tous les photons peuvent parfaitement se chevaucher, de sorte que tous les pics et les creux des ondes lumineuses sont parfaitement alignés et additionnés. Cela permet aux lasers de créer une sorte de super-onde, de sorte que tous les photons agissent ensemble dans le même espace et au même moment. Cela permet aux lasers de couper le métal, même s’ils fonctionnent avec des puissances similaires à celles d’une ampoule électrique.

Rendre Quantum accessible à tous

Je suis profondément passionnée par l’idée de rendre la mécanique et la technologie quantiques accessibles au public, car j’imagine un avenir où les applications de ces technologies reflètent les diverses voix de tous les groupes démographiques.

L’impact de la technologie et de l’informatique quantiques sera profond. La technologie quantique pourrait nous apporter des systèmes de communication plus sûrs, résoudre des problèmes tels que la conception de meilleurs médicaments, et bien d’autres choses encore. Il est essentiel que chacun ait un rôle à jouer dans l’évolution de ces innovations au bénéfice de l’humanité et de la planète.

Cet article a été publié en premier lieu sur le site web du NIST.

Tara Fortier est physicienne et chef de projet à la division Temps et Fréquence du NIST.

Crédit de l’image : R. Wilson/NIST.