état chat de Schrödinger

À basse température, de nombreux matériaux deviennent supraconducteurs : le courant circule sans résistance. Mais comment cela se produit-il si les électrons étaient d'abord piégés dans un isolant ?

Dans une salle bruyante, un interprète essaie de saisir chaque mot, mais les froissements et les échos brouillent le sens. C'est à peu près ainsi que les méthodes informatiques classiques calculent les systèmes quantiques complexes : plus il y a de particules et plus leurs interactions sont fortes, plus les calculs se noient rapidement dans le bruit.

La jonction Josephson est un pont de supraconducteur séparé par une couche isolante extrêmement mince. Un courant la traverse même en l'absence de tension. Mais lorsque le courant devient trop important, le pont se met à osciller, et des marches régulières apparaissent sur le graphique de la tension : les marches de Shapiro.

L'horizon d'un trou noir n'est pas un mur, mais plutôt une membrane à sens unique. Tout ce qui le franchit disparaît à jamais. Stephen Hawking a montré que cette frontière devrait faiblement briller, en émettant des particules. Mais capter une telle lueur d'un vrai trou est impossible — c'est trop loin et trop faible.

Photographier les ailes d'un colibri avec un appareil photo ordinaire donne une tache floue. Pour obtenir une image nette, on prend de nombreuses photos rapides sous différents angles et on les assemble — c'est ainsi que l'on crée un « cliché » quantique.

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.

Même au repos complet, les atomes émettent un faible bruit — un frémissement quantique inévitable. Dans le débat entre Einstein et Bohr, ce bruit, tel un murmure incessant, estompe les franges d'interférence de la fente atomique. Franchir cette limite semblait impossible.

Une longue chaîne d'atomes, et chacun est un minuscule aimant. Ils se parlent entre eux et avec le champ commun, comme des musiciens dans un orchestre qui entendent à la fois le chef et leurs voisins. Lorsque le champ externe change, l'orchestre joue soit en désordre, soit tous les instruments entrent en synchronie — c'est cela, une transition de phase quantique.

Des physiciens ont proposé une expérience : un faisceau laser joue le rôle de détecteur quantique et est divisé en deux faisceaux-oreilles. Chaque oreille est dirigée à travers un minuscule nuage d'atomes ultra-froids — dans cet état, les atomes fusionnent en une onde unique.

Un orchestre où chaque musicien joue sa partition, et où tous ensemble créent une mélodie complexe : c'est ainsi qu'apparaît un nuage d'atomes dont les spins (rotations propres, comme de minuscules toupies) oscillent de manière coordonnée. D'habitude, ces toupies se comportent indépendamment.

Dans un stade de football, l'émotion de la foule est la somme des conversations des supporters individuels. Si l'humeur pouvait être à la fois joyeuse et triste, on aurait une superposition quantique. Mais le murmure de milliers de voix fait basculer instantanément ce mélange dans un état bien défini.

Un nanodiamant massif dans un interféromètre quantique se dédouble, étirant deux réalités sur lui-même. Sa gravité, infime, presque imperceptible, excite le champ quantique du vide, et des nuages cohérents de gravitons naissent. Ce sont les ombres gravitationnelles, projetées par chaque position de la masse.

Une casserole d'eau bout et les molécules se lancent dans une danse chaotique. Impossible d'arrêter cet instant et de figer la danse, mais dans le monde quantique, il existe un détour : on peut créer un « double » du système qui stocke toute l'information sur son état thermique.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien joue sa partition. Si le chef d'orchestre fait une fausse note, la musique s'effondre. Dans les simulations quantiques numériques, le rôle du chef d'orchestre est joué par une séquence d'opérations simples, et les erreurs s'accumulent comme des fausses notes.

Un faisceau laser traversant un cristal spécial se transforme de lui-même en « chat de Schrödinger » — un mélange de deux états. Erwin Schrödinger a imaginé ce paradoxe pour un atome, et voilà que les physiciens l'observent pour un flux entier de photons. La lumière ressemble à une compagnie de soldats sur la place d'armes.

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.

Le chat de Erwin Schrödinger, selon les lois quantiques, peut être à la fois vivant et mort. Mais avec une table, ce tour ne fonctionne pas. Lorsqu'un objet massif tente de se trouver à deux endroits, sa masse courbe tellement l'espace-temps qu'au lieu de deux points, il se forme un unique creux profond — et l'objet y glisse.

Dans le monde microscopique, il y a toujours du bruit. Même dans le vide absolu, quelque chose tremble, et ces fluctuations quantiques gênent les mesures précises. Mais on peut « comprimer » le bruit, comme un ballon de baudruche : si on le serre sur les côtés, un côté devient plus fin, mais l'autre gonfle.

Un photon, c'est comme une voiture dans un parking à étages, où chaque étage représente sa fréquence (sa couleur). D'habitude, il reste coincé au même niveau, mais des chercheurs ont ajouté un ascenseur : un modulateur programmable qui déplace le photon d'un étage à l'autre sur commande.

Un pendule oscille à la fois à gauche et à droite. Cet état « double » dans le monde des atomes est appelé chat de Schrödinger : une particule vit dans deux états différents simultanément, comme le chat de l'expérience de pensée — à la fois vivant et mort.

La lumière piégée dans une minuscule cavité ressemble à un pendule que l'on pousse de plus en plus fort. Au début, il oscille de manière régulière et prévisible, comme une horloge ordinaire. Mais si on l'agite suffisamment, le mouvement devient étrange : le pendule semble se trouver simultanément à ses deux points extrêmes.

Le chat de Schrödinger se cache d'habitude dans des expériences de pensée — à la fois vivant et mort. Cette fois, on l'a attrapé en laboratoire : une impulsion lumineuse a été contrainte d'être dans deux états opposés à la fois, comme une pièce suspendue en l'air, pile et face en même temps.

Les glaçons dans un verre fondent et l'eau se mélange d'elle-même. C'est le comportement de nombreux systèmes quantiques : les particules échangent de l'énergie et, au bout d'un certain temps, l'ordre disparaît.

Dans le monde des atomes, toute perturbation extérieure peut transformer un ordre bien établi en chaos. En général, les pertes d'énergie ne font qu'accroître l'entropie — la mesure du désordre. Mais des physiciens ont découvert l'inverse : parfois, les pertes aident le système à rester stable.

Une particule quantique peut se trouver à deux endroits à la fois, mais jamais un objet macroscopique. La faute aux perturbations qui transforment l'ordre en chaos et augmentent l'entropie ?

Cent vingt musiciens jouant à l'unisson, où la moindre fausse note détruit l'harmonie — telle est la métaphore de cet ensemble quantique record.

Dans un laboratoire, le temps fait généralement tic-tac au mur : aiguilles, chiffres, étalon de fréquence. Mais pour l'Univers, il n'existe pas d'horloge externe. L'équation de Wheeler-DeWitt, loi principale de la gravité quantique, ne contient pas le temps, et toutes les théories fondamentales n'ont pas de flèche du temps intégrée.

Le résonateur oscille à une fréquence de 100 mégahertz, et son amortissement mécanique n'est que de 15 hertz. C'est comme une cloche qui sonnerait pendant des milliers d'années après un seul coup.