superposition

Les systèmes quantiques composés de nombreuses particules sont à la base des futurs ordinateurs et des réseaux sécurisés. Mais plus il y a de particules, plus il est difficile de comprendre comment elles sont organisées : le nombre d'états possibles augmente de façon exponentielle. La méthode habituelle, qui consiste à tout mesurer, prend un temps considérable.

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.

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 ?

Le vent porte le pollen, et chaque grain semble se déplacer de lui-même. Mais dès que l'air se met à tourbillonner, les trajectoires du pollen ne peuvent plus être séparées — elles sont emmêlées.

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 ?

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.

Un manège ne se contente pas de vous faire tourner en rond — à chaque tour, il s'enfonce aussi légèrement dans le sol. Ce mouvement, semblable à celui d'un tire-bouchon, est précisément l'essence de la charge NUT, une propriété particulière de l'espace-temps que les physiciens étudient depuis le milieu du siècle dernier.

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.

Pendant longtemps, identifier les phases quantiques ressemblait à un interrogatoire : il fallait explorer chaque recoin du système pour en soutirer le secret. À l'époque de Lev Landau, l'ordre était lié à la brisure de symétrie et à un paramètre local — tout était clair comme de l'eau de roche.

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.

Un interprète qui traduit non pas des mots mais la structure même d'une conversation rencontre des difficultés lorsque la discussion sort d'une pièce calme. Dans une simulation classique sur grille spatiale, tout suit un scénario strict. Mais dès que les interlocuteurs se retrouvent sur une place bruyante, où le son est déformé par l'écho et où la foule change constamment de direction, le scénario s'effondre.

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.

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.

Imaginez un livre que des milliards de scribes réécrivent en même temps. Tant que la plupart d'entre eux se réfèrent à l'original, le récit reste cohérent. Mais dès que le contrôle se relâche, le texte se couvre de coquilles qui se multiplient jusqu'à ce que le manuscrit devienne un charabia.

L'électrodynamique quantique, ou QED, décrit comment la lumière interagit avec les particules chargées, comme les électrons. C'est l'une des théories les plus précises de l'histoire : ses prédictions correspondent à l'expérience jusqu'à la onzième décimale.

Dans un long couloir, une foule de personnes essaie de rester à distance les unes des autres. Dans une salle spacieuse, elles se seraient simplement écartées, mais ici les murs sont si serrés qu'il faut avancer en file indienne, en coordonnant chaque pas. C'est ainsi que se comportent les électrons dans les couches de graphène tournées l'une par rapport à l'autre d'un angle minuscule.

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 supraconducteur ressemble à une autoroute idéale sans feux rouges : les électrons filent sans entrave. Mais dès qu'on applique une tension, le tableau change. Dans une nouvelle expérience, des physiciens ont découvert que le champ électrique pénètre dans le supraconducteur et y crée un régime mixte.

Le monde quantique est plein de surprises. Dans l'oscillateur paramétrique de Kerr — un dispositif où la lumière est piégée dans un anneau et excitée par un champ externe — on a récemment observé une chose étrange : des paires de niveaux d'énergie fusionnent dans une étreinte. Les physiciens ont appelé cela le « baiser spectral » spectroscopie.

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.

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.

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.

Les métronomes ordinaires, posés sur un support mobile, finissent par osciller en synchronie. Dans le monde quantique, ce tour de passe-passe s'est longtemps refusé aux physiciens.

Le monde quantique joue à un jeu étrange avec la causalité. Si dans la vie ordinaire, on sale toujours la soupe avant de la servir, ici les ingrédients se retrouvent dans l'assiette en même temps, et le cuisinier ne se souvient plus de l'ordre. Les physiciens se sont demandé : peut-on mesurer cette « recette » ? La réponse est non.

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.

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.

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.

La lumière est un flux de photons. Dans un guide d'ondes spécial, semblable à un couloir étroit, un atome « gardien » les laisse généralement passer un par un. Ce phénomène est étudié par la spectroscopie de particules uniques.

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.

Dans un orchestre, un musicien joue si doucement que son son est presque inaudible dans le chœur général. Dans le monde quantique, de tels états « silencieux » sont appelés sombres — leur énergie ne s'échappe presque pas, comme la lumière dans une pièce obscurcie. Mais si les musiciens sont nombreux, leur influence mutuelle peut éveiller de manière inattendue même le plus silencieux.

Une chaîne infinie d'atomes espacés à intervalles réguliers. Décalez toute la chaîne d'un pas — et l'image reste identique. C'est cela, la symétrie de translation : le monde paraît le même, où que l'on regarde.

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.

Le monde quantique n'aime pas qu'on essaie de le décrire avec des nombres précis. D'habitude, les physiciens décomposent une interaction complexe en une longue série — comme une somme de corrections de plus en plus petites.