propagation de l'information

La communication quantique ressemble à l'envoi d'une lettre secrète qui se déchire à la moindre tentative d'espionnage. Jusqu'à présent, on ne pouvait envoyer cette lettre que par une seule route, ce qui est lent.

Quand un noyau atomique lourd se scinde en deux fragments, il reste entre eux un fil quantique invisible. Ce fil, c'est l'intrication : l'état d'un fragment est instantanément lié à celui de l'autre, comme s'ils ne formaient encore qu'un seul tout.

Une caméra observe deux étincelles lointaines. Elles sont si proches l'une de l'autre qu'elles se fondent en une seule petite tache floue. Il semble impossible de les distinguer séparément — la limite classique de la microscopie optique est dépassée.

Le vide quantique n'est pas vide : il est parcouru d'intrication, reliant des régions éloignées. Mais lorsque les physiciens tentaient de calculer cette intrication, elle s'avérait infinie. La cause : des particules de très faible énergie qui peuvent s'étaler sur un volume arbitrairement grand. Elles sont comme des vagues sans rivage.

Une épidémie ressemble à un feu de forêt : le feu court dans l'herbe sèche, et sa vitesse dépend du vent et de l'humidité. Mais l'infection a son propre « vent » — la fréquence à laquelle les gens se contaminent les uns les autres.

Un ordinateur quantique repose sur deux forces : l'intrication (les particules se comportent comme un tout) et la « magie » — une mesure de la distance d'un état par rapport à la physique classique habituelle.

La vieille question du démon de Maxwell — une créature intelligente peut-elle contourner la deuxième loi de la thermodynamique et pomper la chaleur du froid vers le chaud ? — trouve un nouvel écho dans le monde quantique.

Un rayon de lumière s'approche d'un trou noir non pas de face, mais en biais. Si l'angle est parfait, la lumière ne tombe pas à l'intérieur et ne s'échappe pas – elle commence à tourner en cercles, comme un patineur sur le bord d'un entonnoir. Ce chemin étroit est l'anneau photonique.

Un trou noir acoustique est un flux de fluide plus rapide que le son, si bien que les ondes sonores ne peuvent pas s'en échapper. La frontière — la surface où la vitesse du flux atteint la vitesse du son — engendre des paires de phonons : des quanta de son dont l'un s'éloigne tandis que l'autre tombe vers l'intérieur.

Les neutrinos sont des particules quasi insaisissables qui traversent tout ce qui nous entoure. Dans un nuage dense, par exemple lors de l'explosion d'une étoile, ils se mettent à changer collectivement de type, ou de « saveur ». Ce processus ressemble à une foule où les gens changeraient de couleur de vêtements de manière synchronisée, mais pas tous d'un coup, plutôt par vagues.

Une particule quantique peut être dans deux états à la fois — comme une pièce qui tourne, à la fois pile et face. Près d'un trou noir, l'horizon des événements — là où la courbure de l'espace-temps courbe l'espace et le temps à l'extrême — agit comme une porte à sens unique.

Deux interprètes simultanés sont assis dans la même cabine. Le premier traduit de l'anglais vers le russe, mais avale la moitié des mots. Le second traduit du russe vers le français, et perd aussi la moitié. Si on les met ensemble, on pourrait penser que cela donnera un mélange confus : les pertes s'additionnent, et l'auditeur ne recevra qu'un quart du sens.

Étalons une poignée de pièces sur une table. Chaque pièce représente un résultat possible : pile, face, ou autre chose. Si l'on connaît le degré de chaos de cet ensemble (son entropie), quelles combinaisons de probabilités rencontrera-t-on le plus souvent ? Il s'avère que la réponse dépend de la quantité de chaos que l'on autorise.

À la surface d'une minuscule boule vivent deux champs invisibles — comme deux types de rides sur une bulle de savon. Ces champs ne se contentent pas d'osciller tout seuls : ils s'influencent constamment, à la manière de musiciens jouant à l'unisson.

Trois personnes sont assises aux trois coins d'une pièce. Chacune reçoit une enveloppe scellée d'un coursier invisible — mais les coursiers ne se concertent pas et ne se sont jamais rencontrés. Les gens ouvrent les enveloppes et voient un mot : « oui » ou « non ». Ils ne choisissent rien eux-mêmes — ils lisent simplement.

Le trou noir ne se contente pas d'avaler tout ce qui l'entoure — il s'évapore aussi lentement, comme un glaçon au soleil. Pendant que le trou noir maigrit, les champs quantiques autour de lui commencent à se comporter de manière inhabituelle.

Deux boîtes aux lettres à deux extrémités d'une ville. Vous déposez une lettre dans l'une, et une lettre identique apparaît instantanément dans l'autre. C'est à peu près ainsi que fonctionne l'intrication quantique : deux particules se comportent comme un seul ensemble, même si on les sépare loin l'une de l'autre.

L'intrication quantique ressemble à une toile invisible qui relie les particules, même si on les sépare de grandes distances. Dans les grands systèmes — par exemple, dans un morceau de matériau — cette toile peut soit rapidement envelopper tous les atomes, soit s'emmêler en un nœud et rester sur place.

Une cuillère tombe dans une tasse de café chaud, et des ondulations se propagent à la surface. Elles montrent à quelle vitesse la perturbation s'éloigne du point d'impact. Dans le monde quantique, les physiciens cherchent des « ondulations » similaires — comment l'information se propage le long d'une chaîne d'atomes.

Lorsque deux noyaux atomiques entrent en collision, le résultat dépend de leur énergie et de l'angle de dispersion des fragments. Habituellement, de tels calculs exigent d'énormes puissances de calcul, et la précision se heurte à des approximations.

Une corde de guitare cassée ne se tait pas simplement. Elle vibre encore un moment, et selon la nature de cette vibration, le luthier comprend quelle corde il a en main : épaisse ou fine, tendue ou lâche. C'est à peu près ainsi que les physiciens écoutent les « vibrations » des systèmes quantiques lorsqu'ils veulent connaître leur structure.

Des physiciens ont trouvé les lois exactes selon lesquelles la liaison quantique se mélange dans les systèmes chaotiques. Dans un modèle soumis à des impulsions rythmiques — comme un cuisinier qui pétrit sa pâte — ils ont étudié la croissance de l'entropie d'intrication, mesure du désordre quantique.

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.

Deux particules se comportent comme si une connexion télépathique existait entre elles : mesurer l'état de l'une détermine instantanément l'état de l'autre, quelle que soit la distance. Einstein appelait cela « l'action fantomatique à distance ».

L'hélium liquide, à des températures extrêmement basses, s'écoule sans frottement, telle une lubrification parfaite. Des tourbillons y naissent, semblables à ceux de l'eau ordinaire, mais leur vitesse de rotation ne change que par paliers stricts, comme sur un tourne-disque : seulement 33, 45 ou 78 tours.

Une marche quantique ressemble à un homme ivre qui tourne au hasard à chaque intersection. Mais au lieu de rues, il y a des nœuds de graphe, et au lieu de pas, des transitions quantiques. Les scientifiques ont découvert que cette marche possède une mesure cachée : la complexité de Krylov.

On peut découper une impulsion lumineuse en courtes fenêtres temporelles, comme on découpe un train en wagons. Si deux photons naissent ensemble et que leurs wagons sont rigidement liés — l'arrivée de l'un dans une fenêtre donnée garantit que l'autre est arrivé dans la fenêtre appariée — on appelle cela l'intrication temporelle.

Le noyau atomique n'est pas simplement un sac de protons et de neutrons. C'est un système quantique où les particules sont liées par des fils invisibles d'intrication. Lorsque deux protons ou deux neutrons interagissent, leurs états s'entrelacent de telle sorte qu'il est impossible de décrire l'un sans l'autre.

L'eau chaude gèle parfois plus vite que l'eau froide — c'est l'effet Mpemba. Dans le monde quantique, c'est encore plus surprenant : un système bouillonnant de désordre (à haute entropie) peut se calmer incomparablement plus vite qu'un système presque calme.

Des centaines de cuisiniers dans une cuisine, c'est le chaos total. En général, le désordre augmente. En physique quantique, cette mesure du désordre a été nommée entropie par John von Neumann. Pour un système de nombreuses particules, l'entropie augmente généralement avec leur nombre. Mais des scientifiques ont trouvé une exception.

La communication quantique ordinaire ressemble à une poste qui n'envoie qu'un seul courrier à la fois. Si le trajet est long, la réponse se fait attendre indécemment.

En septembre 2024, dans la salle de concert de Linz, il n'y avait pas que l'orchestre sur scène. À côté des musiciens, un dispositif générait des paires de photons intriqués : un laser de longueur d'onde 405 nm frappait un cristal non linéaire et se divisait en deux photons de longueur d'onde 810 nm, qui s'envolaient vers deux stations de mesure, Alice et Bob.

En 1989, John Wheeler a formulé une idée audacieuse : « it from bit », tout ce qui existe provient de l'information. Longtemps, cela est resté une belle métaphore, mais aujourd'hui des physiciens ont trouvé un mécanisme concret qui transforme les bits en particules.

Lorsqu'elle traverse un tissu biologique ou un verre dépoli, la lumière se diffuse et perd l'image. Des chercheurs de l'Institut des nanosciences de Paris ont montré qu'un milieu diffusant peut être configuré pour laisser passer des images codées dans les corrélations de photons intriqués, tout en restant opaque à la lumière classique.

En 1867, James Clerk Maxwell imagina un démon qui trie les molécules d'un gaz, violant ainsi le deuxième principe de la thermodynamique. Le démon a besoin de connaître les vitesses des particules.

Dans une salle de concert vide, deux musiciens jouent la même partition. D'abord le violon, puis le violoncelle, ou l'inverse. Il en a toujours été ainsi : chaque note a sa place dans le temps, son « avant » et son « après ». Mais que se passerait-il si l'orchestre pouvait jouer les deux versions à la fois, dans une superposition quantique de deux ordres ?

Cinq qubits supraconducteurs sur une puce : la scène où se joue le spectacle du chaos quantique. Quatre qubits forment le système, le cinquième constitue l'environnement qui introduit la dissipation.

Dans un cryostat refroidi à quelques dizaines de millikelvins vivent des qubits supraconducteurs. Ils ne sont pas nombreux : des dizaines, tout au plus des centaines. La diaphonie et le bruit thermique empêchent d'en empiler davantage. Or, pour casser RSA-2048, il faut de dix mille à dix millions de qubits physiques.

Deux particules commencent leur danse en toute indépendance. Aucune ne connaît l'existence de l'autre. Mais sous la musique invisible d'un espace-temps déformé, leurs mouvements se synchronisent progressivement : dans le système naît l'intrication, ce lien quantique qu'Einstein appelait « l'action fantomatique à distance ».

Une vague déferle sur le sable, laissant un motif d'écume et de coquillages. Un instant plus tard, elle se retire, mais les traces ne sont plus les mêmes : le sable est lissé, les coquillages retournés. Quelque chose de semblable se produit dans le monde quantique lorsqu'un système passe d'un état hors d'équilibre à l'équilibre.