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Mécanique quantique : des applications tous azimuts

La mécanique quantique est l’une des théories physiques qui donne le plus de fil à retordre à l’entendement. Pourtant, elle débouche déjà sur des applications. Voyage dans le monde quantique avec les dernières expériences surprenantes menées par l'équipe de Jean-François Roch, en collaboration avec celles d’Alain Aspect et Philippe Grangier, à l’Institut d’optique.

Expérience sur la dualité onde/corpusculeDispositif optique utilisé au laboratoire de photonique quantique et moléculaire (CNRS), dans le cadre d'expériences sur la dualité onde/corpuscule.
© Carlos Munoz Yague/Invisuphoto

À la fin du XIXe siècle, le savant anglais William Thomson pouvait dire dans un de ses discours : "La science physique forme aujourd’hui, pour l’essentiel, un ensemble parfaitement harmonieux, un ensemble pratiquement achevé !" Et pourtant, quelques années plus tard, afin d’expliquer les résultats incompréhensibles de plusieurs expériences de physique microscopique, notamment dans le domaine des atomes et de la lumière, les physiciens inventèrent la mécanique quantique. Après 100 ans d’existence, elle a révolutionné notre connaissance de l’infiniment petit en révélant les lois qui s’appliquent aux particules microscopiques, et ses prédictions n’ont jamais été mises en défaut. Mieux encore, révélant aux scientifiques les secrets de la matière, elle nous a offert le laser, le transistor (l’élément de base de tout microprocesseur) ou encore l’énergie nucléaire.

Pour autant, la mécanique quantique n’a pas été tendre avec notre entendement. En même temps qu’elle guidait les physiciens dans l’intimité des atomes, elle les a forcés à abandonner certains principes qu’ils croyaient pourtant gravés dans le marbre. Ainsi, la physique "classique" ou "ancienne", distingue deux sortes d'entités fondamentales : les corpuscules, qui sont des sortes de billes microscopiques, et les ondes (électriques, lumineuses, aquatiques, sonores, etc.) qui se propagent dans l'espace un peu comme le mouvement d'une vague sur la mer (voir notre article Histoire d’ondes). Or la mécanique quantique indique qu’une particule (un électron ou un photon par exemple) est à la fois un corpuscule et une onde !

De même, une particule quantique peut être dans deux états à la fois. Par exemple, tourner sur elle-même dans un sens et dans l’autre. Une situation hallucinante que le physicien Erwin Schrödinger illustra en 1935 par une célèbre "expérience de pensée", c'est-à-dire une situation expérimentale impossible à réaliser concrètement dans un laboratoire mais que l'on peut formuler en pensée. Ainsi, il mit en scène un chat, le chat de Schrödinger qui, obéissant aux lois de la mécanique quantique (on utilise indifféremment le terme de mécanique ou de physique quantique), serait à la fois mort et vivant. Comme si ce n’était pas suffisant, la drôle de mécanique interdit que l’on puisse tout connaître d’une particule en même temps (sa position et sa vitesse par exemple). Et dénie même, dans certaines circonstances, à deux particules qui se sont "rencontrées" dans le passé, de continuer à exister comme deux objets parfaitement définis. La mécanique quantique défit tellement notre entendement qu'Einstein lui-même, jusqu’à sa disparition en 1955, a soutenu qu'elle ne pouvait constituer une description définitive des phénomènes microscopiques !

Pourtant, même si elle continue à perturber leur sens commun, les physiciens ont acquis la conviction que la mécanique quantique est La théorie de l’infiniment petit. Le laboratoire de photonique quantique et moléculaire, à Cachan, est une unité mixte de recherche du CNRS qui dépend du département STIC (Sciences et technologies de l'information et des communications) et de l'École normale supérieure de Cachan. L’équipe de Jean-François Roch y contrôle les drôles de propriétés quantiques de la matière de plus en plus finement.

01.Mécanique quantique : le sens commun mis à mal

Animation dualité onde/particuleEn 2007, Jean-François Roch et son équipe ont réalisé une série d'expériences illustrant la dualité onde / corpuscule. Suivez pas à pas leurs découvertes, grâce à notre animation.
© La Banque des savoirs/CG91
Comme pour se convaincre de la réalité quantique, les physiciens n’en finissent pas de mettre à l’épreuve l’étrange mécanique… et de montrer que ses prédictions sont systématiquement réalisées. Ce fut encore le cas en 2007, lors d’une expérience réalisée par l’équipe de Jean-François Roch, au laboratoire de photonique quantique et moléculaire, à Cachan, en collaboration avec Philippe Grangier et Alain Aspect, tous deux directeurs de recherches au laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’optique d'Orsay.

Ces chercheurs ont en effet testé la dualité onde / corpuscule des objets quantiques grâce à un dispositif appelé interféromètre, permettant de produire ce qu'on appelle des "interférences" : par exemple, si vous croisez deux rayons lumineux issus de la même source ils vont constituer des interférences, c'est-à-dire des figures constituées de zones brillantes à l'endroit où les ondes s'additionnent et de zones sombres là où elles s'annihilent. Très schématiquement (voir notre animation Dualité onde / corpuscule : une expérience quantique), imaginez une plaque percée de deux trous. Placez un filet d'eau devant cette plaque. Le filet va se diviser en deux pour la traverser, chacun des filets parcourant ensuite des chemins différents mais pouvant être réunis par un second dispositif qui les contraint à interférer, c'est-à-dire à se mélanger.

En 1980, Alain Aspect et Philippe Grangier ont pris un photon (un grain de lumière) et lui ont fait traverser un interféromètre. Dans une première expérience, le photon prenait l'une ou l'autre des deux portes d'entrée, et était détecté à la sortie comme ayant emprunté l’un ou l’autre chemin et non les deux. Conclusion : c'était bien une particule. Dans une seconde expérience, ils plaçaient après l'interféromètre un dispositif (une sorte d’écran) capable de détecter les interférences : et ils en observaient ! Conclusion : le photon était bien une onde, "ou plutôt, comme l’explique Jean-François Roch, selon la question que vous lui posez, un photon répond qu’il est soit une onde, soit une particule !".

En 2007, les physiciens ont compliqué l'expérience. Ils ont choisi de mettre en place le détecteur d'ondes ou de particules après (et non avant) que le photon ait traversé l’interféromètre. Et ils ont observé un résultat incroyable : le photon se comporte soit comme une onde, soit comme une particule, selon que l'on place un détecteur d'ondes ou de particules. C'est-à-dire qu'il adapte son comportement en fonction d’une information (mettre un détecteur d'interférences ou de particules), qui ne lui est fournie que plus tard ! Pour autant, on ne peut pas dire qu'il est "à la fois onde et particule". Il est "autre chose", qui échappe à notre compréhension, et que notre cerveau d'humain assimile aux notions d'onde et de particule, le seul moyen que l'on a trouvé pour se faire une image de cette "dualité" quantique. Imaginez un peu, c'est comme si vous lanciez une pièce en jouant à pile ou face : elle retomberait côté pile si, alors qu'elle est déjà en train de retomber (et que donc le coté pile ou face est déjà déterminé), vous lui dites "pile", et elle retomberait côté face si (toujours alors qu'elle est déjà en train de retomber), vous lui dites "face" ! Pour Jean-François Roch, "cette observation s’interprète sans difficulté si on raisonne en termes quantiques. Pour autant, elle pose un problème au principe de causalité, puisque dans cette expérience la cause (le photon passe par un ou deux trous) n'a pas de lien avec l'effet (il devrait être soit particule s'il est passé par un trou, soit onde s'il est passé par deux trous)."

Autre expérience vertigineuse réalisée ces derniers mois, celle de Philippe Grangier et de son équipe, qui sont parvenus à créer un "chaton de Schrödinger", avec une impulsion lumineuse (un paquet de photons) dont le champ électrique associé a pris simultanément deux valeurs, correspondant aux états "mort" et "vivant" du chat. Dans le cas d’une particule unique, un seul photon par exemple, ce comportement n’a rien d’extraordinaire : c’est tout le "quotidien" de la mécanique quantique d'observer de telles situations. La nouveauté réside dans le fait de le faire avec un objet bien plus gros, dans le cas présent une impulsion lumineuse. Car les physiciens savent bien qu’un objet de grande taille, constitué de nombreuses particules microscopiques, perd généralement son caractère quantique. Raison pour laquelle personne n’a jamais rencontré de chat de Schrödinger en chair et en os ! Or, comme l’explique Philippe Grangier pour plaisanter, "en augmentant la taille du système considéré, nous nous rapprochons d’un véritable chat …"

02.Grâce à la mécanique quantique, des communications inviolables

Nicolas Gisin et son équipe, chercheurs en physique appliquéeLe professeur Nicolas Gisin et son équipe de recherche en physique appliquée, concepteurs d'un système de codage inviolable de données, réalisé pour sécuriser la transmission des résultats des élections fédérales en Suisse.
© Groupe de Physique Appliquée/université de Genève
Plus prosaïquement, ces expériences illustrent le fait que les physiciens manipulent les objets quantiques avec une dextérité de plus en plus grande. La possibilité de manipuler des objets uniques, tels des photons par exemple, a ouvert la voie, dans la dernière décennie, au développement de l’information quantique. Comme le résume Jean-François Roch, "lorsque l’on met au point une expérience pour tester un des aspects surprenants de la mécanique quantique, cela incite les gens à réfléchir et amène de nouvelles idées qui finalement débouchent sur des applications."

Que ce soit dans un ordinateur ou une télécommunication, une information est codée sous la forme, appelée "binaire", d’une succession de 0 et de 1. Et chaque bit successif prend l’une ou l’autre valeur, étant ainsi la plus petite unité de mesure de l'information. Dans l’univers quantique, les choses sont tout à fait différentes : une particule microscopique pouvant se trouver dans deux états à la fois (rappelez-vous le chat mort et vivant !), il est donc possible de créer des bits quantiques, appelés "qubit" (pour quantum-bits), qui seraient à la fois 0 et 1.

Cela n’a l’air de rien mais, en 1982, William Wooters du Williams College (États-unis), Wojciech Zurek, du laboratoire de Los Alamos (États-unis), et Dennis Dieks, à l’université d’Utrecht (Pays-Bas), en manipulant les équations de la mécanique quantique, ont montré qu'il était impossible de dupliquer une information encodée dans une suite de qubits. Ces physiciens posaient les bases d’un secteur en pleine expansion, la cryptographie quantique. Il serait donc possible d’échanger des informations dont l’inviolabilité (le fait qu’aucun espion ne puisse les pirater sur une ligne de télécommunication) serait garantie par un principe lié à la physique quantique.

En effet, selon ce principe, connu sous le nom de "principe d'incertitude", on ne peut pas connaître à la fois la position et la vitesse d'une particule. On pourrait croire qu'il s'agit d'un problème expérimental, mais non. Le principe d'incertitude est une propriété fondamentale de la matière. Les observations ne font que mettre en évidence cette propriété, elles n'en sont pas à l'origine. Il est pourtant possible de déterminer avec une grande précision la vitesse et la position d'une voiture. Pourquoi ces objets ne sont-ils pas soumis au principe d'incertitude ? En fait, ils le sont également, mais cela n'a pas de réelle conséquence. La raison en est que ces objets ont des masses sans commune mesure avec celle d'une particule élémentaire. Si un photon peut influencer le mouvement d'un électron, dont la masse est extrêmement faible, il lui est impossible de perturber un objet de plusieurs kilogrammes.

Mais revenons à nos photons ! Le comportement des photons (sur lesquels sont inclus ces qubits) le long d'une fibre optique est donc aléatoire, et un message transmis en suivant le protocole de la cryptographie quantique n'est lisible que par un lecteur correctement polarisé. L'astuce consiste à faire changer régulièrement la polarisation des photons transmis par fibre optique. Si le détecteur possède la bonne clé, il sera à même de décoder le message en modifiant constamment sa polarisation en conséquence. À l'inverse, en cryptographie classique, l’inviolabilité (jamais garantie) dépend des aléas de la technique utilisée pour échanger la clé secrète (le code) d’un message. "On peut donc parler d'une garantie parfaite, souligne Jean-François Roch, dans le sens où les communicants sur ce réseau peuvent assurer que la probabilité qu'un espion se trouve sur la ligne est inférieure à tant. Et le "tant" peut être être 10-2, ou 10-3, et ainsi jusqu'à une limite aussi faible que l'on souhaite."

Dix ans plus tard, l’organisme de recherche du ministère britannique de la Défense et l’entreprise British Telecom ont démontré la possibilité d’échanger de telles informations en encodant des q-bits. Depuis, la technique a été perfectionnée, et plusieurs entreprises - souvent issues de laboratoires de recherche fondamentale - ont commercialisé des systèmes permettant de crypter des messages grâce aux lois de la mécanique quantique. Les plus grands utilisateurs sont l’armée et les banques. En octobre dernier, l’entreprise id Quantique (Genève) a même été sollicitée pour la mise au point d’un algorithme d’encryptage et la fourniture d’émetteurs et de récepteurs de photons, afin de sécuriser la transmission des résultats des élections suisses, depuis les bureaux de vote vers le bureau fédéral de décomptage des voix.

La méthode a encore des limites. En particulier elle ne permet pas de transmission au-delà de 150 km par fibre optique, et elle ne fonctionne pas pour des transmissions par satellite. Cette solution devrait donc être particulièrement adaptée à un réseau urbain reliant de grands sièges sociaux à leurs agences (par exemple banques et assurances). Mais pour la plupart des envois de messages secrets, on utilise toujours des méthodes de cryptage classiques.

Personne aujourd'hui ne sait à quoi ressembleront les futurs systèmes de communication quantique, dans une version standardisée capable de fonctionner dans les réseaux de communication optique actuels. Les deux expériences réalisées l’année dernière par Philippe Grangier et Jean-François Roch ouvrent peut-être des directions prometteuses. Comme l’explique ce dernier, "en créant un chaton de Schrödinger optique, Philippe Grangier a montré que l’on pouvait conserver le caractère quantique d’un objet constitué d’un grand nombre de photons. Or ces objets sont plus faciles à manipuler que des photons uniques, on peut donc imaginer les utiliser dans le domaine de la cryptographie quantique."

03.Ordinateur quantique : le rêve deviendra-t-il réalité ?

Illustration de la dualité onde/corpusculeŒuvre personnelle illustrant la dualité quantique : ce cylindre est "à la fois" carré et circulaire… ou ni l'un ni l'autre.
© Wikipedia Licence Creative Commons
Plus exploratoire encore, la possibilité d’utiliser des qubits pour réaliser des calculs, de la même manière qu’un ordinateur standard utilise des 0 et des 1 pour toutes sortes d’opérations. Là encore, les théoriciens ont montré que l’utilisation de bits quantiques (pouvant se trouver dans les deux états à la fois) offrait, sur le papier du moins, la possibilité de prouesses de calcul vertigineuses, susceptibles de renvoyer l’ordinateur le plus puissant du monde à l’âge de pierre. Par exemple, avec des bits classiques, il faut 100 millions de fois plus d’étapes de calcul pour factoriser un nombre à 500 chiffres qu’un nombre de 250 chiffres. Avec un ordinateur fondé sur les lois quantiques, il suffirait de huit fois plus d’étapes seulement !

Aujourd’hui, la manipulation de quelques particules quantiques, des atomes par exemple, a permis de réaliser l’équivalent quantique de "portes logiques", ces briques qui servent de base à tout microprocesseur. Mais les physiciens sont loin du compte. De fait, l’approche la plus avancée a permis à Isaac Chuang, à l’Institut de technologie du Massachusetts (États-Unis), de factoriser 15 (soit de prouver que 15 se décompose en 3 x 5) avec un système à 7 qubits. Chacun de ces qubits était placé sur un objet microscopique, en l'occurrence une molécule. On manipule ainsi un système de sept molécules couplées entre elles, et on en récupère un signal de résonance magnétique. Pour faire mieux, il serait nécessaire de contrôler des millions d’atomes individuellement, une tâche que de nombreux physiciens jugent irréalisable.

Une chose est sûre, si un ordinateur quantique voit le jour, il ne ressemblera en rien à un ordinateur conventionnel. Ainsi, son processeur ne contiendrait plus de diode ou de transistor par exemple. Les physiciens explorent un éventail très ouvert de supports variés pour les qubits : spins d’électrons, photons, ions piégés, etc. De son côté, Jean-François Roch, et d’autres chercheurs en Île-de-France, travaille plus particulièrement sur des atomes et des lumières laser comme support d'information. L’an passé, Yvan Castin et son équipe, au Laboratoire Kastler Brossel, à Paris, ont montré que ce type de systèmes permettaient de résoudre certaines équations particulièrement complexes.

Mais on est bien loin du but : produire un ordinateur quantique de grande puissance et manipulable comme un micro-ordinateur. Certains comparent la situation actuelle de la recherche à celle où se trouvait la connaissance de l'atome quand Marie Curie étudiait la désintégration du radium (voir notre dossier Irène et Frédéric Joliot-Curie : maîtres de l’atome). Notamment parce que les particules qui peuvent servir à réaliser physiquement des qubits (électrons, ions, photons...) ont la fâcheuse propriété d'entrer naturellement dans des états intriqués avec les particules qui composent la matière dans leur proche voisinage : c'est le processus de la "décohérence". Qui fausse tous les calculs ! Or plus le système comporte de qubits, plus le temps pendant lequel il reste cohérent, donc pertinent pour le calcul, devient court…

Les optimistes parlent de 15 ou 20 ans avant de résoudre ce type de problème, les pessimistes disent jamais. Mais, que le chemin aboutisse ou non, il est de toute façon fertile en résultats scientifiques fondamentaux, en physique et en informatique, et sera jalonné d'avancées technologiques majeures.

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