état quantique

Un état quantique, c'est comme la météo en montagne : il change à chaque regard. Pour évaluer son incertitude, les physiciens font des copies et effectuent des mesures. Chaque copie est un thermomètre qui se brise après usage.

Un ordinateur quantique n'est pas simplement un ensemble de qubits, mais une véritable ville où chaque habitant est l'un des états possibles de la machine. Les habitants se rencontrent grâce aux faibles interactions entre qubits : si un état peut se transformer en un autre, un fil de connaissance se tisse entre eux.

Parfois, la machine à laver déchire le linge. Pour obtenir une chemise intacte, vous en lavez plusieurs, puis vous en assemblez une à partir des morceaux qui ont survécu. C'est à peu près ainsi que l'ordinateur quantique traite les « états magiques » — ces préparations spéciales sans lesquelles les calculs complexes sont impossibles. Ces états sont extrêmement fragiles.

Dans une salle de mille spectateurs, les applaudissements se fondent en un bruit collectif, mais si quelqu'un perd le rythme, une onde parcourt l'assistance. Le monde quantique fonctionne de la même manière : les atomes piégés peuvent se comporter comme un tout cohérent ou se disperser en individus indépendants.

Un immense puzzle dont chaque pièce est une particule quantique. Pour assembler l'image, il ne suffit pas de relier les pièces, il faut les intriguer d'une manière particulière. Habituellement, on procède en appliquant soigneusement les opérations une par une — comme si vous assembliez un puzzle en suivant strictement les instructions, rangée par rangée.

Deux minuscules diamants flottent dans le vide, séparés par une distance que la lumière ne peut parcourir pendant la durée de l'expérience. À l'intérieur de chacun, telle une étincelle figée, vit un spin intriqué — un état quantique qui les lie en un tout unique.

La mécanique quantique permet à une particule d'être à deux endroits à la fois — c'est ce qu'on appelle une superposition. Mais les corps massifs, comme un grain de poussière ou une bille, ne se comportent pas ainsi : leur position est toujours définie. Pourquoi ?

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.

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.

Dans le monde quantique, l'agitation est permanente. Les particules échangent de l'énergie, s'intriquent, s'influencent mutuellement. On pourrait croire que plus il y a d'acteurs dans ce jeu, plus il est difficile de prédire le résultat. Mais parfois, l'ordre naît du chaos.

Dans le monde macroscopique, il existe une règle simple : la densité d'énergie ne peut pas être négative, et son flux ne peut pas dépasser la lumière. Au café, cela donnerait : un serveur ne peut pas distribuer les commandes plus vite qu'il ne court lui-même. Les physiciens appellent cette contrainte la condition de dominance de l'énergie.

Sept danseurs entrent en scène. Ils se tiennent par la main de sorte que n'importe quel trio ou quatuor évolue en parfaite harmonie avec les autres — aucun groupe ne sort du rythme général. Dans le monde quantique, on appelle cela un état maximalement intriqué (AME en abrégé). C'est un nœud parfait où chaque partie connaît tout du tout.

Un ordinateur quantique à atomes neutres ressemble à une ville où les coursiers — les pinces laser — transportent physiquement les colis entre les adresses. Pendant qu'un coursier traîne un atome à travers la puce, les autres attendent. C'est lent et cela génère des erreurs. La nouvelle architecture remplace les coursiers par une onde radio commune.

Un service postal dont les coursiers s'arrêtent soudainement. On pourrait croire que les lettres ne parviennent plus à destination et que le lien entre les villes est rompu. Mais que se passerait-il si les enveloppes elles-mêmes acquéraient la capacité de changer de forme et de transmettre les messages à travers une toile commune, sans bouger ?

Deux danseurs sur scène doivent se mouvoir avec une synchronisation parfaite, mais si l'un d'eux hésite, tout le numéro est gâché.

Dans notre monde, la gravité est un espace-temps courbe. C'est ainsi que la décrit la relativité générale d'Einstein. Mais que devient la gravité à l'échelle des atomes et des particules, où règne la mécanique quantique ? Cette question reste sans réponse depuis près d'un siècle.

Un filigrane délicat sur du papier humide, et une vitre embuée devant les yeux. C'est à peu près à cela que ressemble la lecture des états quantiques de la lumière : les fragiles motifs de photons sont déformés par les pertes, et les détecteurs ne capturent qu'une petite partie du signal.

Une minuscule bille aimantée flotte dans le vide, maintenue par des champs invisibles. Elle se met à tourner autour de l'axe du champ magnétique — tout comme une toupie qu'on aurait légèrement poussée. C'est la précession. Mais lorsque la bille devient très petite, les lois quantiques entrent en jeu.

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.

L'intrication quantique — un phénomène où les états de deux ou plusieurs particules sont corrélés indépendamment de la distance qui les sépare — lie généralement des propriétés internes comme le spin ou la polarisation.

Un champ magnétique maintient une minuscule particule en suspension dans l'air, tel un partenaire invisible dans une danse. Un réglage particulier du champ crée un piège avec deux « positions ». Dans le monde ordinaire, un danseur n'occupe qu'une seule position, mais dans le monde quantique, il occupe les deux simultanément.

Le vide quantique n'est pas un vide mort, mais un chaudron bouillonnant de probabilités. Dans certaines théories, notre Univers est figé dans un état métastable : comme de l'eau surchauffée, il est prêt à exploser en vapeur au moindre choc.

La théorie d'Einstein affirme qu'un corps massif en rotation entraîne l'espace avec lui, comme une cuillère — du miel épais. Ce phénomène est appelé entraînement de l'espace, et il est particulièrement marqué autour des trous noirs et des étoiles à neutrons.

L'enchevêtrement quantique se comporte souvent comme une danse synchronisée qui n'est visible que sous un certain angle. Dès que l'on change la façon d'observer, les particules semblent désunies. Cela limite les communications sécurisées.

À des températures de quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu naît le condensat de Bose-Einstein — un état où des milliers d'atomes défilent au même rythme quantique.

Un objet ordinaire se déplace le long d'une trajectoire prévisible, comme une balle. Dans le monde quantique, une particule est étalée en un nuage de probabilité. Pour voir l'ordre dans ce brouillard, des scientifiques ont reformulé l'équation de Schrödinger dans le langage de l'eau qui s'écoule.

Les ordinateurs quantiques font des erreurs. Chaque étape de calcul introduit une infime imprécision, et si on ne la corrige pas, le résultat se transforme en bruit. L'un des principaux problèmes est la rotation de phase d'un angle arbitraire. L'approche standard consiste à assembler la rotation souhaitée à partir d'un ensemble d'opérations simples, comme une mosaïque.

On peut enfermer la lumière ou le son dans une zone minuscule d'un cristal, comme une perle dans sa coquille. Habituellement, on utilise deux méthodes. La première ressemble à une boule lourde dans un creux : une particule de grande masse ne peut tout simplement pas en sortir. La seconde est une cage idéale faite de miroirs, où les ondes s'annulent partout sauf dans le piège.

Dans le laboratoire, il y a un piège — un « puits » invisible de champs électriques — où flotte une particule de poussière chargée d'une centaine de nanomètres. Elle oscille d'avant en arrière, comme le balancier d'une horloge.

En mécanique quantique, tout est instable : la particule n'est pas en un point unique, mais étalée dans l'espace, et l'événement ne se produit pas en un instant unique. Mais notre monde quotidien est plein de certitudes : la pièce est tombée sur pile, l'ampoule s'est allumée, une note a été écrite dans le carnet.

Un caillou tombe dans un étang — et des cercles se propagent à la surface de l'eau. Dans le monde quantique, l'étang n'est pas fait d'eau, mais d'une multitude de particules identiques, et le caillou est aussi une particule, mais étrangère. Une telle particule étrangère est appelée polaron de Fermi.

Deux pendules sont suspendus à une même barre. Une impulsion – et ils se mettent à osciller, se synchronisant puis se désynchronisant progressivement. Dans un qubit topologique, les particules de Majorana – des excitations particulières capables de stocker de l'information quantique – jouent le rôle de ces pendules.

Les observatoires d'ondes gravitationnelles évoquent une oreille attentive aux grondements lointains des catastrophes cosmiques. Pour percevoir le faible chuchotement des trous noirs qui fusionnent, les détecteurs d'ondes gravitationnelles utilisent une lumière spécialement préparée, appelée vide comprimé.

En montagne, il existe un col : un point où le sentier bascule d'une vallée à l'autre. En se plaçant exactement dessus, on fait un pas et l'on descend déjà sur le versant opposé. En chimie, cet endroit s'appelle l'état de transition : un instant fugace où les atomes se figent sur le seuil de la transformation.

Une pierre lancée suit une courbe régulière — sa trajectoire est facile à prévoir. Mais si la pierre ricoche sur l'eau, sa trajectoire devient brisée et bien plus intéressante.

Deux dés à jouer reposent dans des pièces différentes. S'ils sont « intriqués », le lancer de l'un détermine instantanément le résultat de l'autre, même à distance. Dans le monde quantique, ce lien s'appelle la dirigeabilité : une partie, en effectuant des mesures chez elle, semble dicter l'état à son partenaire.

Une bouilloire qui bout avec son couvercle fermé ne montre pas l'ébullition, mais le son et les vibrations trahissent la puissance de chauffe de l'eau.

Le chat quantique est un état de la lumière proposé par Schrödinger : les photons se comportent comme une pièce en rotation, visible à la fois pile et face. Des physiciens ont créé une telle « pièce » à partir de 120 photons filant à la vitesse de la lumière dans un piège à lumière.

Un aimant ordinaire ressemble à une boussole : l'aiguille pointe vers le nord. Mais une boussole quantique peut regarder dans les deux directions à la fois.

Une seule prise de vue stocke à la fois une image normale et une carte cachée de la façon dont la lumière a ondulé à travers la scène. L'intrication quantique rend cela possible. Des paires de photons liés sont générées : l'un visite l'objet, son jumeau fait un détour.