Célébrer le premier siècle de la physique quantique et préparer le prochain

Il y a un siècle, des scientifiques pionniers, dont Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg et Erwin Schrödinger, ont posé les principes fondamentaux de la mécanique quantique. Pour marquer cette étape, les rédacteurs des revues Physical Review ont rassemblé une collection d’articles marquants qui ont façonné le domaine. L’ensemble de la collection est accessible à partir de ce lien.

La collection commence par l’éditorial suivant de Dagmar Bruß de l’université Heinrich Heine de Düsseldorf.

Éditorial de Physical Review Letters

En cette année internationale des sciences et technologies quantiques, nous célébrons le centenaire de la physique quantique. Cet anniversaire marque les développements théoriques – y compris les formulations de la mécanique quantique par Heisenberg et Schrödinger – qui se sont rapidement déroulés à partir de 1925, en s’appuyant sur des contributions séminales antérieures qui ont établi des concepts quantiques essentiels [1-5].

Cent ans représentent environ trois générations humaines. De la même manière, je considère que le siècle dernier de physique quantique a progressé à travers trois générations consécutives mais entrelacées. La première génération quantique a été une ère de compréhension et de mystères. Les travaux révolutionnaires de cette période ont introduit une description formelle de la réalité physique par la mécanique quantique. En même temps, cette époque a vu les chercheurs essayer de faire face aux phénomènes contre-intuitifs – y compris l’intrication et la non-localité qui en découle – résultant du formalisme quantique.

La deuxième génération quantique a été celle de la consolidation et des applications. Cette ère a donné lieu à la « première révolution quantique », une série de percées technologiques qui ont permis aux effets quantiques de faire partie de notre vie quotidienne. Les lasers, l’imagerie par résonance magnétique et les circuits intégrés sont autant d’exemples de technologies quantiques. La théorie quantique a également commencé à remodeler des domaines tels que la chimie, la science des matériaux, l’astrophysique et la cosmologie. Cette période s’est accompagnée d’une acceptation progressive des effets particuliers apparaissant dans le régime quantique.

La caractéristique de la troisième génération quantique est son lien avec les sciences de l’information. Après avoir accepté la bizarrerie quantique, les scientifiques ont réalisé que le monde quantique possédait une grande puissance inhérente pour le traitement de l’information quantique. En exploitant les lois quantiques de la nature, ils ont conçu des moyens d’effectuer des calculs, des communications, des simulations et des détections avec une efficacité et une sécurité inégalées. Les efforts déployés pour mettre en œuvre ces technologies de rupture sont au cœur de la recherche contemporaine.

Cette collection rassemble des articles jouant un rôle fondamental dans chacune de ces trois générations quantiques. Dans la première génération, le développement de la théorie [6-17] est allé de pair avec la discussion des doutes, des paradoxes et des interprétations possibles de la mécanique quantique [18-22].

Au cours de la deuxième génération quantique, les contributions pionnières comprenaient des aperçus des effets topologiques [23,24], ainsi que la conception d’expériences visant à prouver des propriétés mécaniques quantiques débattues telles que la non-localité [25-27], la contextualité [28] et la dualité particule-onde [29]. Ces idées ont été testées avec succès lors d’expériences lorsque la technologie appropriée est devenue disponible [30-34].

La troisième génération quantique a été ouverte par des articles qui ont jeté les bases de la science de l’information quantique. Le « théorème de non-clonage » [35] a montré la possibilité d’atteindre une sécurité inviolable dans la communication quantique [36]. D’autres articles marquants ont souligné la possibilité de construire un ordinateur quantique universel [37] et d’obtenir un avantage en matière de calcul quantique dans les applications pratiques [38]. Parallèlement à la science de l’information quantique, la recherche fondamentale a commencé à suivre des directions nouvelles et alternatives [39].

Alors que nous entrons dans un nouveau siècle de science quantique, nous nous demandons à quel point les technologies de l’information quantique seront perturbatrices et à quel moment leur impact se fera pleinement sentir. Mais la recherche quantique future devra s’attaquer à bien plus que le développement technologique. Après 100 ans de mécanique quantique, plusieurs questions fondamentales restent partiellement ou totalement non résolues. Pouvons-nous comprendre la frontière entre le monde quantique et le monde classique ? Comment les lois de la thermodynamique classique peuvent-elles émerger de la mécanique quantique ? La gravité peut-elle être quantifiée et comment les expériences peuvent-elles rechercher des signatures de la gravité quantique ? De nombreuses autres questions se poseront, que nous ne pouvons même pas imaginer aujourd’hui.

Il est certain que la recherche sur les aspects fondamentaux de la physique quantique sera aussi nécessaire à l’avenir qu’elle l’a été au cours du premier siècle. Et comme l’histoire l’a amplement montré, les soi-disant « sauts quantiques » dans la technologie sont généralement le fruit d’avancées fondamentales.

Références (39)

1. Max Planck, Ueber das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum, Ann. Phys. (Berlin) 309, 553 (1901) .
2. Albert Einstein, Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt, Ann. Phys. (Berlin) 322, 132 (1905) .
3. Niels Bohr, Sur la constitution des atomes et des molécules, Philos. Mag. Ser. 5 26, 1 (1913) .
4. Walther Gerlach et Otto Stern, Der experimentelle Nachweis der Richtungsquantelung im Magnetfeld, Z. Phys. 9, 349 (1922).
5. Arthur Compton, A quantum theory of the scattering of x-rays by light elements (théorie quantique de la diffusion des rayons X par les éléments légers), Phys. Rev. 21, 483 (1923) .
6. Wolfgang Pauli, Über den Einfluß der Geschwindigkeitsabhängigkeit der Elektronenmasse auf den Zeemaneffekt, Z. Phys. 31, 373 (1925).
7. Werner Heisenberg, Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen, Zeitschrift für Physik 33, 879 (1925); M. Born et P. Jordan, Zur Quantenmechanik, Z. Phys. 34, 858 (1925); M. Born, W. Heisenberg et P. Jordan, Zur Quantenmechanik. II, 35, 557 (1925).
8. Louis de Broglie, Recherches sur la théorie des Quanta, Ann. Phys. (Berlin) 10, 22 (1925) .
9. George E. Uhlenbeck et Samuel Goudsmit, Ersetzung der Hypothese vom unmechanischen Zwang durch eine Forderung bezüglich des inneren Verhaltens jedes einzelnen Elektrons, Zuschriften Und Vorläufige Mitteilungen 13, 953 (1925).
10. Erwin Schrödinger, Quantisierung als Eigenwertproblem, Ann. Phys. (Berlin) 384, 361 (1926) .
11. Clinton Davisson et Lester H. Germer, Diffraction des électrons par un cristal de nickel, Phys. Rev. 30, 705 (1927) .
12. Max Born, Das Adiabatenprinzip in der Quantenmechanik, Z. Phys. 40, 167 (1927).
13. Paul A. M. Dirac, La théorie quantique de l’électron, Proc. R. Soc. A 117, 610 (1928) .
14. Howard P. Robertson, Le principe d’incertitude, Phys. Rev. 34, 163 (1929) .
15. Felix Bloch, Über die Quantenmechanik der Elektronen in Kristallgittern, Z. Phys. 52, 555 (1929).
16. Richard P. Feynman, Space-time approach to non-relativistic quantum mechanics, Rev. mod. Phys. 20, 367 (1948) .
17. Julian Schwinger, Sur l’invariance de jauge et la polarisation du vide, Phys. Rev. 82, 664 (1951) .
18. Albert Einstein, Boris Podolsky, et Nathan Rosen, Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete ? Phys. Rev. 47, 777 (1935) .
19. Niels Bohr, La description de la réalité physique par la mécanique quantique peut-elle être considérée comme complète ? Phys. Rev. 48, 696 (1935) .
20. Erwin Schrödinger, Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik, Naturwissenschaften 23, 807 (1935).
21. David Bohm, Une proposition d’interprétation de la théorie quantique en termes de variables « cachées ». I, Phys. Rev. 85, 166 (1952) .
22. Hugh Everett, Formulation de l’état relatif de la mécanique quantique, Rev. mod. Phys. 29, 454 (1957) .
23. Yakir Aharonov et David Bohm, Signification des potentiels électromagnétiques dans la théorie quantique, Phys. Rev. 115, 485 (1959) .
24. Michael V. Berry, Facteurs de phase quantique accompagnant les changements adiabatiques, Proc. R. Soc. A 392, 45 (1984) .
25. John S. Bell, Sur le paradoxe d’Einstein Podolky Rosen, Physique Fiz. 1, 195 (1964) .
26. Daniel M. Greenberger, Michael A. Horne, Abner Shimony, et Anton Zeilinger, Théorème de Bell sans inégalités, Am. J. Phys. 58, 1131 (1990) .
27. Lucien Hardy, Nonlocalité pour deux particules sans inégalités pour presque tous les états intriqués, Phys. Rev. Lett. 71, 1665 (1993) .
28. Simon Kochen et Ernst Specker, Le problème des variables cachées en mécanique quantique, J. Math. Mech. 17, 59 (1967) .
29. John A. Wheeler, The « past » and the « delayed-choice » double-slit experiment, Mathematical Foundations of Quantum Theory, édité par A. R. Marlow (Academic Press, New York, 1978), pp. 9-48, 10.1016/B978-0-12-473250-6.X5001-8.
30. Stuart J. Freedman et John F. Clauser, Experimental test of local hidden-variable theories, Phys. Rev. Lett. 28, 938 (1972) .
31. Alain Aspect, Jean Dalibard, et Gérard Roger, Experimental test of Bell’s inequalities using time-varying analyzers, Phys. Rev. Lett. 49, 1804 (1982) .
32. X.Y. Zou, L. J. Wang, et L. Mandel, Induced coherence and indistinguishability in optical interference, Phys. Rev. Lett. 67, 318 (1991) .
33. Vincent Jacques, E Wu, Frédéric Grosshans, François Treussart, Philippe Grangier, Alain Aspect, et Jean-François Roch, Experimental realization of Wheeler’s delayed-choice gedanken experiment, Science 315, 966 (2007).
34. B. Hensen et al, Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres, Nature (London) 526, 682 (2015); Marissa Giustina et al, Significant-loophole-free test of Bell’s theorem with entangled photons, Phys. Rev. Lett. 115, 250401 (2015) ; Lynden K. Shalm et al, Strong loophole-free test of local realism, 115, 250402 (2015).
35. William K. Wootters et Wojciech H. Zurek, « A single quantum cannot be cloned », Nature (London) 299, 802 (1982).
36. Charles H. Bennett et Gilles Brassard, Quantum cryptography : Public key distribution and coin tossing, Proceedings of the International Conference on Computers, Systems & Signal Processing (1984), Vol. 1, pp. 175-179.
37. David Deutsch, La théorie quantique, le principe de Church-Turing et l’ordinateur quantique universel, Proc. R. Soc. A 400, 97 (1985) .
38. Peter W. Shor, Algorithms for quantum computation : Discrete logarithms and factoring, Proceedings 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science, Santa Fe, NM (1994), pp. 124-134 ; L. K. Grover, Quantum mechanics helps in searching for a needle in a haystack, Phys. Rev. Lett. 79, 325 (1997) .
39. Sandru Popescu et Daniel Rohrlich, Quantum nonlocality as an axiom, Trouvé. Phys. 24, 379 (1994) .

Image en vedette : Max Planck et Albert Einstein (Université hébraïque de Jérusalem).