nombre quantique

Dans une rangée serrée d'atomes, espacés de moins d'une longueur d'onde, se cache un état surprenant. L'excitation est répartie sur toutes les particules de telle sorte que leur rayonnement s'annule de lui-même. Ce « silence » quantique est un coffre-fort idéal pour un photon : il peut y rester stocké des centaines de fois plus longtemps que d'habitude.

La charge électrique est une chose insaisissable. On peut mesurer combien il y en a dans l'Univers entier ou dans une particule isolée, mais essayer de pointer du doigt : « Ici, dans ce centimètre cube, il y a exactement tant de charge » se heurte à un mur fondamental.

Le monde quantique est plein d'étranges connexions. Deux particules peuvent se retrouver « intriquées » : l'état de l'une influence instantanément l'autre, même si des kilomètres les séparent. Mais comment savoir si elles sont réellement intriquées ?

Le noyau atomique n'est pas simplement une boule de protons et de neutrons. Il a une forme, et cette forme peut changer. Le noyau d'étain-116 a longtemps été considéré comme une sphère presque parfaite : il possède 50 protons — un nombre « magique » qui confère généralement au noyau une symétrie sphérique.

Le monde quantique à N corps est un ensemble de jazz où chaque électron improvise, en écoutant constamment les autres, et la fonction d'onde globale naît de ce dialogue tendu.

Au cœur de l'ordinateur quantique du futur pourrait se trouver une minuscule molécule organique en forme de triangle. Elle possède deux électrons « en trop » qui ne trouvent pas de partenaire. Ces molécules sont appelées diradicaux, et leurs électrons sont capables de stocker l'information d'une manière particulière, quantique.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien doit jouer sa partition sans se tromper. Les musiciens sont les qubits, porteurs d'information quantique. Pour que l'orchestre joue en harmonie, il faut des qubits fiables, contrôlables et peu sensibles aux perturbations.

On jette une poignée de phosphore dans du silicium — et à une certaine concentration d'impuretés, le matériau se met soudain à conduire le courant. C'est une transition de phase métal-isolant, et elle se produit par saut.

Les manuels divisent les particules en deux camps : les bosons aiment se serrer dans un même état, les fermions, catégoriquement non. Mais la nature admet une troisième option. Les anyons sont des quasiparticules dont le comportement se situe quelque part entre les deux.

Une casserole d'eau bout toujours de la même manière : cent degrés, et les bulles apparaissent. Avec les liquides quantiques, c'est différent. Lorsqu'un nuage d'atomes est refroidi presque jusqu'au zéro absolu, il peut se transformer en une onde de matière unique — le condensat de Bose-Einstein.

Une particule quantique qui parcourt un anneau fermé laisse deux « enregistrements » différents sur son passage. Le premier est comme une empreinte digitale sur une poignée de porte : il reste inchangé, quel que soit le nombre de fois où l'on tourne la poignée, et ne renseigne que sur la forme et le matériau.

Dans un système de plomberie, l'eau peut parfois ne pas s'écouler en un flot continu, mais par portions identiques et distinctes — comme si le robinet s'ouvrait et se fermait, laissant passer à chaque fois exactement une goutte. C'est à peu près ainsi que se comporte le courant électrique dans les contacts supraconducteurs appelés jonctions Josephson.

Dans le cristal de nitrure de bore, le réseau atomique parfait est parfois perturbé : ici un atome manque, là il est remplacé par un atome étranger.

Une pièce lancée avec la main droite retombe toujours sur pile, et avec la main gauche sur face. C'est à peu près le comportement de la particule lambda-b : sa rotation interne (le spin) est inextricablement liée à la particule D qui naît lors de la désintégration.

Un pendule qui oscille non pas dans un seul plan, mais dans cinq dimensions à la fois. Son mouvement est décrit par un modèle mathématique complexe, et lui-même est un électron dans une feuille de graphène, interagissant avec cinq « variétés » différentes de l'environnement.

L'ordinateur quantique promet de résoudre des problèmes qu'un ordinateur ordinaire ne peut pas résoudre. Mais où se situe la frontière ? Les auteurs de ces travaux sont tombés sur un cas surprenant : des électrons appariés se comportent comme un orchestre discipliné.

Dans le monde des supraconducteurs, les électrons n'aiment pas la solitude. D'habitude, ils s'associent en paires — les paires de Cooper — et se déplacent sans résistance, comme des patineurs artistiques se tenant par la main. Mais on peut les faire danser à quatre.

Plan d'une ville : les intersections sont les nœuds, les rues les connexions. Pour que l'algorithme comprenne la structure, chaque nœud doit être étiqueté. L'approche classique — modèle standard — attribue des étiquettes simples, comme des numéros de maisons.

Une toupie lancée sur une surface parfaite tombe au moindre frémissement. De même, un bit quantique créé sur un défaut dans un diamant voit son état détruit par le désordre magnétique des impuretés et par les perturbations externes.

Un capteur moderne à l'hôpital ressemble à un microphone sensible dans une salle bruyante. Il capte le signal faible du cœur ou du cerveau, mais avec lui, le bourdonnement des appareils, les pas, la respiration des voisins. Séparer le son utile du bruit est une science en soi.

Deux points quantiques, c'est comme deux minuscules poches dans un morceau de silicium, où un électron peut se loger telle une bille dans un creux. Lorsque les poches sont éloignées, chaque électron vit sa vie, et son énergie ressemble à celle d'un atome isolé.

Un électron dans un atome, c'est comme une note sur une corde : il possède un ensemble d'énergies permises, et la tâche du physicien est de trouver ces notes. Habituellement, pour cela, on divise l'espace autour du noyau en petits morceaux et on calcule comment l'électron se comporte dans chacun. Plus les morceaux sont petits, plus la réponse est précise.

La molécule d'eau ressemble à un minuscule haltère : deux atomes d'hydrogène sont fixés à un atome d'oxygène selon un angle. Cet haltère ne reste pas immobile : il s'étire, se comprime et tourne. Chacun de ces mouvements possède sa propre énergie, comme les marches d'un escalier.

Le monde quantique n'aime pas qu'on l'observe d'un œil distrait. Pour extraire d'un atome ou d'un photon toute l'information disponible, il faut tout un éventail d'« aiguilles » — différentes façons de poser une question. Les physiciens appellent cet éventail un ensemble complet de mesures.

Une puce de silicium de la taille d'un ongle contient des milliards de minuscules interrupteurs. Mais pour un ordinateur quantique, il ne faut pas des interrupteurs, mais des électrons individuels piégés dans des cavités microscopiques. Ces cavités sont des points quantiques.

Lancer une pièce semble aléatoire, mais en réalité, tout est décidé par la physique : la force du lancer, la résistance de l'air, l'élasticité de la surface. Si l'on connaît tous les détails, le résultat peut être prédit. Le vrai hasard vit plus profondément, dans le monde quantique.

Dans deux pièces miroir, placées perpendiculairement, vit un nuage d'atomes. Chaque atome est comme un chanteur dans un chœur : seul, il peut se taire, mais quand ses voisins commencent à chanter, il reprend.

Une boîte quantique est une boîte si petite que l'électron qui s'y trouve ne peut pas avoir n'importe quelle énergie, mais seulement des valeurs bien précises, comme les marches d'un escalier. Sur chaque marche, plusieurs électrons peuvent prendre place, mais combien exactement ? Si la marche est double, deux électrons peuvent s'y tenir ; si elle est simple, un seul.

Un qubit, c'est comme un locataire dans un minuscule appartement : il occupe généralement l'étage inférieur pour ne pas être dérangé par les voisins du dessus. Dans les boîtes quantiques en germanium, où vivent les qubits de spin, ce locataire est un trou, c'est-à-dire un endroit sans électron.

Dans un mince sandwich d'arséniure de gallium, les électrons ne se comportent pas comme des billes individuelles, mais comme un liquide quantique unique. Si l'on réduit la couche à seulement 70 nanomètres d'épaisseur, ce liquide se sépare en deux flux presque indépendants, comme l'huile à la surface de l'eau.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où les électrons et les noyaux jouent d'instruments différents. D'habitude, le chef a besoin de deux baguettes : les micro-ondes pour les électrons et les ondes radio pour les noyaux.

Sur la table des physiciens repose une plaquette plus petite qu'une feuille de papier. À l'intérieur, un cristal capable de dévier un faisceau lumineux, comme un miroir tenu à la main. Mais ce cristal ne bouge pas : il change la direction du faisceau lorsqu'on y fait passer du son.

Nous avons l'habitude de penser que les événements ont des causes, que les objets existent par eux-mêmes et que les signaux ne peuvent pas dépasser la vitesse de la lumière.

Un moteur ordinaire brûle du carburant et perd une énorme quantité d'énergie sous forme de chaleur — c'est ce qu'imposent les lois de la thermodynamique. Un moteur quantique fait autrement : son carburant n'est pas la chaleur, mais un rythme parfait. Cette régularité, les physiciens l'appellent la cohérence quantique.

Des physiciens ont créé l'équivalent quantique d'un instrument de musique. Ses « notes » — les niveaux d'énergie autorisés — reproduisent exactement les premiers nombres de l'ensemble qui régit la répartition des nombres premiers.

Il y a cent ans, la mécanique quantique offrait au monde une image cohérente : la rotation d'une particule autour d'un point ne peut se faire qu'avec des quantités bien précises de moment cinétique, des nombres entiers multipliés par la constante de Planck.

Il y a cent ans, la mécanique quantique offrait au monde une image cohérente : la rotation d'une particule autour d'un point ne peut se faire qu'avec des quantités bien précises de moment cinétique, des nombres entiers multipliés par la constante de Planck.

Un état quantique soumis à une mesure continue n'est pas une image figée, mais une danse aléatoire. Chaque résultat de mesure déplace légèrement l'état d'un côté ou de l'autre, et pour prédire l'avenir, il faut suivre toute la trajectoire.

En 1946, Felix Bloch a prédit que, même en l'absence de champ magnétique externe, un moment magnétique fluctuant existe dans un ensemble de spins. Il croît comme la racine carrée du nombre de particules, et dans les petits échantillons, ce bruit peut dépasser la polarisation thermique.