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Physique quantique : guide complet sur les aspects du domaine de la physique  

La physique quantique s’est développée sur plusieurs décennies. Elle a commencé comme un ensemble d’explications mathématiques controversées d’expériences impossibles à justifier. Que peut faire le monde quantique pour les entreprises ?

La mécanique quantique constitue la branche de la physique relative à l’infiniment petit. Pour certains scientifiques, elle est sur le point d’avoir des effets profonds sur la technologie, les affaires et la société. Pour ceux qui se demandent ce qui rend la théorie quantique si déconcertante, voici un bref résumé de la théorie quantique en termes simples.

Physique quantique : qu’est ce que c’est ?

La physique quantique est un aspect de la physique également connu sous le nom de mécanique ou de théorie quantique. En fait, la mécanique désigne la partie qui traite des objets qui bougent, des balles de canon à celles de tennis, en passant par les voitures, les fusées et les planètes. La mécanique quantique représente la partie qui décrit le mouvement des objets aux niveaux moléculaire, atomique et subatomique, tels que les photons et les électrons.

L’histoire de la mécanique quantique

Au fil du temps, il a été démontré que toute matière se compose d’atomes. Chaque atome se constitue à son tour d’électrons gravitant autour d’un noyau composé de protons et de neutrons. D’ailleurs, ces atomes sont très petits et sont localisés « ici » ou « là ».

Mais vers la fin du 19e siècle, le concept d’atome devient assez controversé. En effet, le physicien allemand Max Planck, déterminé à réfuter l’existence des atomes, a étudié les propriétés et le comportement du rayonnement du « corps noir ».

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Ce qu’il a découvert à la fin de 1900 a fait de lui un atomiste convaincu. Cependant, il faut attendre quelques années de plus pour que la véritable signification de sa découverte se fasse sentir.

Planck avait conclu que les rayonnements sont absorbés et émis comme s’ils étaient composés de fragments discrets qu’il appelait quanta. En 1905, Albert Einstein a poussé la réflexion plus loin. En fait, il a émis l’hypothèse que ces quanta sont bien réels. D’ailleurs, le rayonnement lui-même se présente sous la forme de morceaux discrets d’énergie lumineuse. Aujourd’hui, ces morceaux sont appelés photons.

La lumière : une onde ou une particule ?

L’hypothèse d’Einstein sur la physique quantique a soulevé un certain débat. Il existait déjà un ensemble de preuves bien établies en faveur d’une théorie ondulatoire de la lumière. L’observation clé de cette théorie porte le nom d’expérience de la double fente. Lorsque la lumière passe à travers une ouverture étroite ou fente, elle se faufile, se courbe sur les bords et s’étale au-delà. En effet, elle se « diffracte ».

En coupant deux fentes côte à côte, il en résulte des interférences. Les ondes diffractées par les deux fentes produisent un motif alterné de bandes claires et sombres appelé bandes d’interférence. Ce type de comportement ne concerne pas uniquement la lumière. L’interférence des ondes est facilement démontrée par les ondes dans l’eau.

Mais les ondes sont par nature délocalisées : elles sont « ici » et « là ». De fait, l’hypothèse d’Einstein ne renverse pas toutes les preuves des propriétés d’ondes délocalisées de la lumière. En revanche, il suggérait qu’une description complète devait également prendre en compte les propriétés de particules localisées.

Ainsi, la lumière agit à la fois comme une onde et comme une particule. En 1923, le physicien français Louis de Broglie a fait une suggestion audacieuse. Si les ondes lumineuses peuvent être des particules comme les électrons, peuvent-elles aussi être des ondes ? Ce n’était qu’une idée, mais il a pu l’utiliser pour établir une relation mathématique directe entre la propriété d’onde d’un électron et une caractéristique de particule.

Mais il ne s’agissait pas d’une théorie « onde-particule » à part entière de la matière. Ce défi a été relevé par Erwin Schrödinger  est encore enseignée aujourd’hui aux étudiants en sciences.

Physique quantique : qu’est-ce qu’une fonction d’onde ?

La théorie de Schrödinger sur l’ensemble de la physique quantique correspond en fait à la théorie classique des ondes. De fait, elle introduit certaines conditions quantiques en utilisant la relation de De Broglie. Le résultat de cette théorie constitue l’équation d’onde, dans laquelle le mouvement d’une particule telle qu’un électron se calcule à partir de sa fonction d’onde.

Dès le début, les physiciens ont eu des difficultés à comprendre cette fonction. En effet, en mécanique classique, la façon d’interpréter les concepts représentés dans la théorie ne présente pas de réelle difficulté. En particulier, l’énergie et la quantité de mouvement appellent les observables physiques et leur relation avec les propriétés des objets qui les possèdent.

Pour calculer la quantité de mouvement classique d’un objet volant dans l’air à une vitesse fixe, il suffit de mesurer sa masse et sa vitesse et de les multiplier. Mais pour connaître la quantité de mouvement d’un électron, le calcul se fait en effectuant une opération mathématique spécifique sur la fonction d’onde de l’électron.

Ces opérations sont des recettes mathématiques, considérées comme des « clés ». Par ailleurs, ils déverrouillent la fonction d’onde, libèrent l’observable avant de se refermer.

Les particules agissent-elles vraiment comme des ondes ?

Si les électrons se comportent comme des ondes, ces dernières peuvent-elles être diffractées ? En faisant passer un faisceau d’électrons par deux fentes côte à côte, des bandes d’interférence apparaîtront-elles sur un écran distant ? Pourquoi ne pas limiter l’intensité du faisceau de sorte qu’en moyenne un seul électron passe par les fentes à la fois ? Que se passe-t-il alors ?

Au début, chaque électron qui passe par les fentes s’enregistre comme un point unique sur l’écran, ce qui indique qu’ un électron a touché ce point . Ceci concorde parfaitement avec la notion d’électrons en tant que particules. En fait, il semble qu’ils passent, un à un, par l’une ou l’autre des fentes et frappent l’écran selon un schéma apparemment aléatoire.

Mais ce schéma n’est pas aléatoire. Lorsque les électrons traversent les fentes, un seuil est franchi. Les points individuels commencent à se regrouper, à se chevaucher et à fusionner. Finalement, la figure d’interférence à deux fentes consiste en une alternance de points brillants et sombres.

En outre, il est possible de conclure que la nature ondulatoire de l’électron représente un comportement intrinsèque. Chaque électron individuel se comporte comme une onde, décrite par une fonction d’onde. Il traverse les deux fentes simultanément et interfère avec lui-même avant de frapper l’écran. Alors, comment savoir précisément où apparaîtra le prochain électron ?

Une particule peut-elle se trouver à deux endroits en même temps ?

Schrödinger voulait interpréter la fonction d’onde comme la représentation théorique d’une « onde matière ». Mais pour donner un sens à l’interférence d’un électron, il faut recourir à une autre interprétation, proposée plus tard, en 1926, par Max Born. Selon Born, en mécanique quantique, la fonction d’onde au module carré mesure la probabilité de « trouver » l’électron associé à un endroit donné.

L’alternance de pics et de creux de l’onde électronique se traduit par un modèle de probabilité quantique. À cet endroit (qui deviendra une frange lumineuse), la probabilité de trouver l’électron suivant augmente. En revanche, à un autre endroit, elle peut se révéler très faible ou nulle (qui deviendra une frange sombre).

Avant qu’un électron ne frappe l’écran, il a une probabilité de se trouver « ici », « là » et « presque partout » où la valeur du carré de la fonction d’onde est supérieure à zéro. Cette probabilité d’existence simultanée de plusieurs états est connue sous le nom de « superposition quantique ».

Cela signifie-t-il qu’un électron individuel peut se trouver à plusieurs endroits en même temps ? Non, pas vraiment. Il est vrai qu’il a une probabilité d’être à plus d’un endroit à la fois. Mais si par « électron individuel », il faut se référer à l’électron en tant que particule. Dans un certain sens, il n’existe pas en tant que tel jusqu’à ce que la fonction d’onde interagit avec l’écran.

Pourquoi les probabilités sont-elles importantes en physique quantique ?

La probabilité de 50 % qu’une pièce de monnaie lancée à pile ou face tombe sur « face » signifie simplement qu’elle a deux faces. Il est donc impossible de savoir (ou de prédire facilement) sur quel côté elle tombera. Il s’agit d’une probabilité classique née de l’ignorance.

La pièce continue à avoir deux faces, pile et face, lorsqu’elle tourne dans l’air, mais sans connaître les détails exacts de son mouvement. Le côté qui tombera sur la face visible ne peut être prédit avec certitude. En théorie, il serait possible de le faire à condition de savoir exactement avec quelle force, à quel angle et à quelle hauteur le lancer peut-il être attrapé.

Les probabilités quantiques apparaissent différemment. Lorsque la pièce de monnaie quantique a été lancée, les détails de son mouvement peuvent être bien connus. Cependant, rien ne garantit l’existence de pile ou de face tant que la pièce n’a pas atterri et regardé.

Ainsi, quelle que soit la quantité d’informations détenues sur le lancer de la pièce, les résultats restent incertains. En effet, ils ne sont pas prédéterminés comme dans un système classique.

Physique quantique : qu’apporte-t-elle aux entreprises ?

La technologie issue de la physique quantique connaît un essor considérable. Des programmes majeurs ont été mis en place aux États-Unis, dans l’Union européenne et en Chine, et le Royaume-Uni est à l’avant-garde dans ce domaine. Le gouvernement britannique a lancé le National Quantum Technology Program en 2013 pour soutenir le développement et la commercialisation dans ce domaine.

Certes, il s’agit d’excellentes mesures, mais qu’est-ce qui les motive ? En fait, l’ensemble du secteur des télécommunications repose sur les lasers et la technologie des amplificateurs. Ces dispositifs fonctionnent sur des bases quantiques, même si les fibres elles-mêmes sont en grande partie classiques. La physique du laser figure dans le célèbre article d’Albert Einstein de 1917, dans lequel il introduit l’idée d’émission stimulée.

La physique quantique : la base des ordinateurs modernes

En fait, les ordinateurs ne pourraient pas fonctionner sans comprendre les semi-conducteurs, les structures de bande et le dopage. Et grâce à la mémoire flash NAND ainsi nommée parce qu’elle ressemble à une porte logique NON-ET, les systèmes de stockage « non-volatils » à semi-conducteurs sont enfin à portée de main. Ainsi, lorsque les téléphones portables, les clés USB, les lecteurs de mémoire ou les centres de données s’éteignent, les données stockées ne disparaissent pas. La mécanique quantique joue à nouveau un rôle important.

La mémoire flash NAND constitue l’un des plus grands segments de l’industrie mondiale des semi-conducteurs, avec des ventes annuelles de plusieurs dizaines de milliards de dollars. En effet, les usines de fabrication de mémoire flash NAND coûtent plusieurs milliards de dollars à construire. Et chaque fois que des données sont écrites sur une mémoire NAND Flash, l’une des prédictions les plus surprenantes et les plus réussies de la mécanique quantique se met en œuvre. Ce phénomène permet à une particule de faible énergie de franchir une barrière d’énergie potentielle élevée.

Selon le National Institute of Standards and Technology des États-Unis, les ordinateurs quantiques seront capables de craquer l’infrastructure à clé publique existante d’ici 2029. Ces derniers n’utilisent des qubits plutôt que des bits.

Physique quantique : imagerie par résonance magnétique

Parmi les autres applications, de la physique quantique figure l’imagerie par résonance magnétique et la navigation par satellite. Mais l’avenir s’annonce encore plus fascinant. Grâce aux nouvelles avancées en matière de calcul, de détection, d’imagerie et de communication, les technologies quantiques offriront de nouvelles approches pour résoudre des problèmes mondiaux. Notamment en ce qui concerne les maladies et le changement climatique.

La technologie quantique appliquée à la détection et à l’imagerie devrait également offrir des possibilités étonnantes. Des capteurs ultra-précis capables de cartographier le champ gravitationnel local loin sous le sol permettent de découvrir de nouvelles ressources matérielles. Ils peuvent même localiser des canalisations enterrées afin que les ouvriers de la voirie puissent creuser les trous au bon endroit.

Physique quantique : calcul et sécurité 

Ce domaine rend possible la sécurisation des réseaux à l’aide d’algorithmes avancés et de clés quantiques sous forme de photons intriqués envoyés par des fibres. Ces travaux serviront à savoir si une tierce personne a accédé à la clé, ce qui revêt une importance capitale pour la sécurité des communications.

Quant à la détection quantique, elle jouit d’excellentes fonctionnalités. Parmi ces outils figure le radar quantique, qui a déjà été démontré à l’aide de photons intriqués envoyés sur quelques mètres. En l’étendant aux photons micro-ondes, il est possible d’observer les choses localement et de savoir instantanément ce qui se passe à des dizaines de kilomètres. 

En résumé, il est difficile de prévoir les applications commerciales spécifiques et l’impact de la technologie quantique sur la société. Cela explique pourquoi la technologie quantique est si importante et pourquoi les gouvernements du monde entier ont fait un choix très judicieux.

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