ensemble

La nuit, au sommet d'un volcan, six télescopes observent le même point de lumière. Chacun capture sa propre copie de l'onde, et si l'on combine leurs signaux, on obtient une image qu'aucun instrument seul ne pourrait produire. Mais il y a un piège : la lumière captée par différentes stations ne peut pas simplement être additionnée comme des photographies.

D'habitude, la complexité des systèmes — du mouvement des satellites aux rythmes cardiaques — est évaluée par l'entropie moyenne (une mesure de l'imprévisibilité, telle que la concevait Ludwig Boltzmann).

Les dispositifs quantiques ne sont plus des curiosités de laboratoire. On les assemble, on les règle et on les répare comme du matériel ordinaire — sauf qu'à l'intérieur, il n'y a pas simplement du courant, mais des enchevêtrements de particules capables d'être dans plusieurs états à la fois.

Dans les cristaux, nous sommes fascinés par l'ordre spatial parfait : les atomes sont figés aux nœuds du réseau, comme des perles sur un fil invisible. Mais que se passerait-il si une telle symétrie se manifestait dans le temps ?

Un minuscule cristal d'atomes chargés, piégé dans une trappe, tremble de chaleur. Chaque ion oscille comme une bille au bout d'un ressort, et ces vibrations gênent l'utilisation du cristal pour des opérations quantiques précises.

Dans le monde des atomes et des particules, tout tend vers le repos : les particules perdent de l'énergie, comme une balançoire qui ralentit à cause de la perte d'énergie (c'est-à-dire le frottement). Mais de nombreux appareils, des masers à hydrogène aux horloges atomiques, vivent grâce à des cycles répétitifs.

Compter les personnes dans une pièce sombre en écoutant leur respiration se heurte au bruit ambiant : on n'entend pas les inspirations individuelles. Les scientifiques qui travaillent sur les spins quantiques dans les solides sont confrontés à un problème similaire.

On compare souvent les neutrinos à une émission radio captée par différents récepteurs. Une station émet un signal, mais les antennes au Japon, en Antarctique et au fond de la mer Méditerranée l'entendent différemment — à cause de la distance, des interférences et de l'orientation de l'antenne.

Imaginez une bibliothèque où, au lieu de livres, se trouvent toutes les combinaisons imaginables de quelques dizaines de particules quantiques. Le nombre de ces combinaisons croît comme une boule de neige : ajoutez une particule — et le volume double. Pour une cinquantaine de particules, il y a plus d'étagères que d'atomes dans l'Univers visible.

Imaginez une salle bondée où chaque personne est une molécule et sa conversation privée, le mouvement des électrons en son sein. En temps normal, chacun parle pour soi et le bourdonnement général est chaotique. Mais si un projecteur puissant s'allume au centre de la salle, il se met à diriger la foule : les gens synchronisent leurs mouvements, même si la lumière ne fait que se réfléchir sur les murs.

La vapeur qui s'élève au-dessus d'un métal chaud est un spectacle familier dans nos cuisines. Mais si l'on prend du rubidium au lieu de l'eau, ce nuage se transforme en batterie. Elle ne fonctionne pas par réactions chimiques, mais par la coordination quantique des atomes.

Une foule se met soudain à bouger comme une seule personne. En physique, cela arrive avec les spins atomiques — de minuscules aiguilles magnétiques. Lorsque de nombreux spins se rassemblent et communiquent via un milieu commun, ils forment un grand aimant, ou macro-spin.

À l'intérieur d'une étoile en explosion, les neutrinos filent si nombreux qu'ils commencent à s'influencer mutuellement. Leurs états quantiques s'entremêlent, comme des fils dans un écheveau serré où l'on ne distingue plus à qui appartient chaque brin.

L'eau dans une tasse refroidit en quelques minutes. Le gaz dans une pièce la remplit uniformément en quelques secondes. Mais si l'on confine des atomes dans un tube de l'épaisseur d'un rayon laser et qu'on les excite vigoureusement, ils mettront plusieurs secondes à « refroidir » vers l'équilibre — une éternité à l'échelle atomique.

Un anneau d'atomes magnétiques évoque une ronde où chaque participant tient ses voisins par la main. Dans les aimants ordinaires, chaque atome possède son propre moment magnétique permanent, et ils interagissent comme de petites aiguilles qui cherchent à s'aligner en sens inverse.

Le thé chaud met généralement plus de temps à refroidir que le thé tiède, mais l'eau enfreint parfois cette règle : dès les années 1960, un écolier nommé Erasto Mpemba a remarqué que la glace chaude gèle plus vite que la glace froide.

Des physiciens ont pris 28 toupies quantiques — des particules dotées d'une rotation propre — et ont lancé sur un ordinateur quantique Richard Feynman un processus cyclique prédit par Werner Heisenberg il y a près de cent ans. Au début, chaque toupie tournait n'importe comment.

Les capteurs quantiques ressemblent à un orchestre où les musiciens jouent à l'unisson : leurs états intriqués permettent de capter des signaux inaccessibles aux instruments ordinaires.

Le monde quantique est plein de surprises : même le simple fait d'observer une particule change son comportement. Dans de nouveaux travaux, des physiciens ont montré que la mesure continue de l'énergie peut rendre le chaos quantique plus prononcé.

Une source de lumière unique dans une fine couche de nitrure de bore s'allume et s'éteint en quelques nanosecondes. On peut créer de nombreuses sources de ce type dans le matériau, mais chacune fonctionnait longtemps de manière indépendante. Dans ces nouveaux travaux, elles ont été amenées à briller ensemble, comme des musiciens jouant à l'unisson.

Le champ magnétique à mesurer ressemble à une mélodie jouée dans une salle bruyante. Le capteur quantique est un microphone capable de capter les notes les plus faibles, mais il n'entend pas que la musique : des bruissements, des grincements, la respiration des voisins. Tout cela se mêle au signal et gâche l'enregistrement.

Un chef d'orchestre dirige un orchestre de milliards de musiciens tout en entendant chacun individuellement. C'est à peu près le défi que relèvent les physiciens lorsqu'ils tentent de faire cohabiter la lumière et les spins des électrons dans un solide.

Un orchestre de cent musiciens joue sans chef. Tant que la partition est familière, chacun mène sa partie avec assurance, et l'ensemble sonne harmonieusement. Mais si le compositeur change le rythme, une dissonance apparaît dans la salle : certains instruments continuent de jouer comme avant, d'autres tentent de s'adapter, et d'autres encore se taisent.

Le paradoxe de Mpemba — l'eau chaude gèle parfois plus vite que l'eau froide — a maintenant une suite quantique. Dans le monde microscopique, une particule poussée plus loin de la ligne d'arrivée y parvient en premier.

Tout tend vers l'équilibre : le thé refroidit, le pendule s'immobilise. Cette évolution se mesure par l'entropie, un désordre qui ne cesse de croître. Mais parfois, l'eau chaude gèle avant l'eau tiède. L'effet Mpemba n'est pas qu'une simple curiosité : il se manifeste aussi dans le monde quantique.

Sur une table optique ordinaire, parmi les lasers et les miroirs, un nuage de cent atomes de strontium-87 commence à vivre selon les lois d'un espace-temps courbe. Après une demi-seconde, son interférence quantique s'éteint : la dilatation du temps gravitationnelle détruit la superposition.

Une foule de trente et un capteurs quantiques de détection quantique chuchote dans une plaquette de diamant.

Un faisceau de lumière visible pénètre dans un nuage de milliards d'atomes de rubidium refroidis presque au zéro absolu, et en ressort de l'autre côté déjà dans le domaine des télécommunications.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où les cordes et les vents jouent dans des langues différentes. Les processeurs supraconducteurs manipulent des photons micro-ondes dans des circuits de quelques centimètres, tandis que les qubits de spin — par exemple les centres azote-lacune — stockent…

À l'intérieur d'un diamant, on trouve parfois de minuscules imperfections : un atome de carbone remplacé par de l'azote, avec une lacune juste à côté. Les physiciens appellent cela un centre NV (défaut azote-lacune). Un tel défaut se comporte comme une aiguille magnétique qui peut stocker de l'information dans sa rotation.

Un minuscule diamant avec des défauts — des atomes d'azote ayant remplacé des atomes de carbone — recèle une particularité étonnante. Autour de chaque défaut tourne un électron supplémentaire, comme une toupie que l'on peut incliner par des impulsions radio.

Dans l'épaisseur du diamant se cachent de minuscules défauts : des endroits où un atome de carbone est remplacé par de l'azote, avec à côté un vide béant. Ces défauts, tels des phares, peuvent stocker et transmettre de l'information quantique.