superposition quantique

Dans une pièce silencieuse, sans le moindre aimant, deux électrons piégés dans du silicium ressentent quand même un léger frémissement. Il est créé par les noyaux des atomes de silicium et de germanium, qui tournent de manière chaotique, comme les aiguilles de boussoles cassées.

Une poignée de pièces tombe sur une table : pile ou face, elles retombent au petit bonheur la chance. C'est exactement ce à quoi ressemble un instantané d'une chaîne quantique : à certains endroits, il y a une particule, à d'autres non. Mais derrière ce désordre se cache un angle bien précis. Dans cette étude, une chaîne de particules a été refermée en anneau.

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.

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.

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.

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.

Les grains de café pris un par un ne donnent pas de boisson, mais avec deux, la tasse se remplit. Dans le monde quantique, il existe des états similaires : on ne peut pas extraire d'intrication pure d'une seule copie, mais parfois de plusieurs. On ne savait pas si cela existait vraiment.

Un gaz superfluide, c'est comme une foule qui marche au même pas : chaque atome sait où aller et ne dévie pas du rythme commun. Mais cette foule a trois « vallées » — trois directions différentes qu'elle peut prendre.

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 ?

Deux corps massifs figés dans une superposition quantique évoquent un couple de danseurs tentant de garder un rythme commun tandis qu'un orchestre joue autour d'eux. Chaque onde gravitationnelle est un musicien qui les fait sortir du tempo.

Le monde quantique est retors : parfois, des particules confinées dans une couche plane et traversées par un puissant champ magnétique se comportent comme un liquide composé non pas d'électrons entiers, mais de leurs fractions — des charges fractionnaires. C'est l'effet Hall quantique fractionnaire.

Une chaîne d'une centaine de minuscules aimants repose sur une table. Chacun peut pointer vers le haut ou vers le bas, comme une pièce qui tombe sur pile ou face. Mais ce ne sont pas des aimants ordinaires : ils ne se sentent pas seulement individuellement, mais aussi par trios. Trois particules voisines semblent se concerter pour décider dans quelle direction s'orienter.

Le monde quantique aime l'équilibre. Lorsqu'on force une particule massive à se dédoubler — à suivre deux chemins à la fois — quelque chose doit bouger en retour. Ce « quelque chose », c'est l'appareil lui-même qui a séparé la particule.

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.

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 ?

Deux rayons de lumière se rencontrent en un point puis se séparent. Leurs trajectoires forment deux surfaces qui se croisent dans l'espace-temps : des hypersurfaces nulles (les frontières le long desquelles la lumière se propage). C'est sur une telle paire de surfaces que les physiciens savent poser les données initiales pour les équations d'Einstein.

Le neurone classique est un musicien de chambre qui ne tire qu'une seule note de chaque corde : il prend la somme pondérée des entrées, ajoute un biais et la fait passer par une non-linéarité.

Les qubits supraconducteurs sont le cœur battant des ordinateurs quantiques, mais leur rythme est perturbé par la décohérence : la quantique se dissout dans le bruit.

Depuis près de quarante ans, la supraconductivité à haute température dans les cuprates reste l'une des énigmes les plus profondes de la physique de la matière condensée.

Dans l'image habituelle de Heisenberg, les spins, à basse température, doivent s'aligner en un motif strict. Mais certains cristaux — comme le pyrochlore — où la géométrie rend son verdict.

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.

Automne 1956. Kurt Gödel écrit sur une feuille de papier une question adressée à John von Neumann, mourant : peut-on vérifier la satisfiabilité d'une formule booléenne plus rapidement qu'en les essayant toutes ? La réponse viendra 69 ans plus tard — et se révélera être la morsure d'un ouroboros logique, le serpent mythique qui se dévore la queue. Le serpent naît du hasard.

La quête des anyons non abéliens, c'est la chasse au fantôme quantique qui ne laisse qu'un seul indice : l'entropie. Ces particules habitent des systèmes bidimensionnels à des températures extrêmement basses.

Le graphène, ce cristal de carbone bidimensionnel, a longtemps fait rêver les physiciens d'une supraconductivité à haute température. Ses électrons obéissent à l'équation relativiste de Paul Dirac, filent à une vitesse prodigieuse, presque sans se soucier les uns des autres.

L'électron et son antipode — le positron, prédit par Paul Dirac —, lorsqu'ils se rencontrent, forment un instant le positronium : une minuscule paire qui tourne l'un autour de l'autre, comme dans un atome, mais sans noyau.

Autrefois, Richard Feynman voyait dans les systèmes quantiques un défi pour les ordinateurs classiques. Aujourd'hui, nous sommes confrontés au problème inverse : comprendre ce qu'a réellement simulé un ordinateur quantique.

Un nanofil supraconducteur topologique est comme un pont aux extrémités duquel veillent deux gardiens inséparables : les modes de Majorana. Ces quasi-particules exotiques, prédites dès les années 1930, promettent de devenir le fondement d'un ordinateur quantique insensible aux erreurs.

Les tout premiers instants de la vie de l'univers évoquent l'accordage d'un instrument de musique complexe. Les fluctuations quantiques, étirées par l'expansion fulgurante (l'inflation), sont devenues les « notes » à partir desquelles les galaxies se sont ensuite formées.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien — le qubit — doit jouer sa partition avec précision et en rythme. Habituellement, on installe les musiciens à des places fixes et on les relie par des pupitres-câbles.

Deux jumeaux entrent dans une pièce par des portes différentes. Chacun reçoit une boîte avec un bouton — et chaque fois qu'ils appuient sur le bouton, une ampoule rouge ou verte s'allume. Si les jumeaux sont absolument identiques, on peut s'attendre à ce que leurs ampoules s'allument selon les mêmes règles internes.

Un calcul quantique ressemble parfois à un interprète qui se laisse distraire par chaque bruissement dans la salle — et une réunion d'une heure se transforme en deux heures.

Trois danseurs évoluent comme un seul corps : chacun ressent tous les autres, et l'harmonie globale ne se réduit pas aux interactions individuelles. C'est à peu près le comportement de trois particules nées d'une collision entre un électron et un positron à vitesse de la lumière.

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.

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 particule peut se trouver à deux endroits à la fois : c'est la superposition. Mais toute interaction, tel un cri, « referme » instantanément cette indétermination. On a longtemps pensé que même la force de gravité pouvait s'en mêler.

Chaque particule quantique possède un spin — une propriété magnétique intrinsèque, comme une minuscule aiguille. Dans une expérience, un faisceau de telles particules traversant un aimant se sépare en deux parties — comme une pièce qui retombe sur pile ou face.

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.

Si l'on accélère l'une des quatre particules intriquées à une vitesse énorme, leur intrication quantique ne se contente pas de fondre : elle s'affaiblit d'abord, puis se renforce à nouveau.

Un supraconducteur conduit le courant sans résistance, comme l'eau qui coule dans un tuyau sans frottement. Le secret réside dans les paires d'électrons : deux électrons s'unissent en une seule entité, bien qu'ils se repoussent habituellement. Dans un supraconducteur ordinaire, les spins des électrons d'une paire pointent dans des directions opposées — c'est l'état singulet.