synchronisation

Dans un aquarium de la taille d'une table de salle à manger, deux bancs de néons noirs nagent dans des compartiments voisins, séparés par une paroi transparente. Ils ne peuvent pas se toucher, mais ils voient chaque mouvement. Et voici ce qui est surprenant : quand un banc décide de tourner à gauche, l'autre fait de même un instant plus tard.

Le robot jongleur attrape et lance des balles en parfaite cadence avec l'humain, tels deux pulsars émettant leurs impulsions à l'unisson. Jongler avec trois balles, c'est le classique «cascade», un enchaînement régi par une pulsation régulière, semblable à la rotation d'un phare cosmique. Que l'on casse le rythme, et le motif s'effondre.

Un pendule qui oscille tout seul, sans qu'on ait besoin de le remonter : dans le monde quantique, ces « pendules » sont appelés cristaux temporels. Leur mouvement rythmique naît spontanément et ne s'amortit pas. Mais jusqu'ici, il était presque impossible de contrôler ce rythme : toute intervention risquait de détruire le fragile équilibre.

Un neurone envoie un signal à son voisin. Celui-ci ne répond pas immédiatement : l'impulsion se propage le long de la fibre à vitesse finie, comme une lettre qui s'attarde en route. D'ordinaire, on considère ce délai comme une gêne, mais dans ces travaux, il devient chef d'orchestre.

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.

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.

Le gaz qui tombe vers un trou noir s'enroule en spirale, comme l'eau dans un entonnoir. Dans ce flux, des boucles magnétiques naissent et éclatent sans cesse — un peu comme des éruptions solaires, mais bien plus puissantes. Chaque boucle est un minuscule aimant qui vit sa propre vie.

La lumière, en traversant un milieu trouble — par exemple un verre de lait ou du verre dépoli — se diffuse dans toutes les directions. Mais parfois, au lieu de se disperser, elle reste piégée dans de minuscules « poches » à l'intérieur du matériau. Ces poches, les physiciens les appellent des modes localisés : la lumière y tombe comme dans un piège et ne peut plus en sortir.

Chaque inspiration accélère légèrement le cœur, chaque expiration le ralentit. Ce rythme, visible sur un électrocardiogramme, est appelé arythmie respiratoire. Longtemps considérée comme un simple effet secondaire du système nerveux, une nouvelle étude montre que cette coordination n'est pas un hasard, mais un moyen d'économiser de l'énergie.

Une caméra ordinaire filme le monde comme une série d'images : vingt-quatre, soixante, voire cent images par seconde. Pour filmer une goutte qui tombe, cela suffit, mais à l'intérieur d'une cellule vivante, les événements se déroulent mille fois plus vite.

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.

Une minuscule particule flotte dans un faisceau laser, comme un grain de poussière dans la lumière d'une lampe de poche. Elle est constamment bousculée par les molécules d'eau, de manière désordonnée, de tous les côtés. D'habitude, ces chocs gênent : la particule s'agite et les mesures précises deviennent une loterie.

Deux horloges dans des pièces différentes doivent tic-tac à l'unisson. Habituellement, on envoie des impulsions lumineuses intenses ou des paires de photons qui arrivent exactement l'un après l'autre. Mais le signal peut être si faible que les photons arrivent à peine.

Lorsque deux faisceaux lumineux se rencontrent dans un cristal, ils peuvent engendrer un troisième faisceau avec une fréquence différente. Pour que ce processus soit efficace, il faut que les ondes marchent au même pas, comme deux personnes qui marchent côte à côte sans se désynchroniser.

Si l'on pouvait mettre la lumière en bouteille, les scientifiques auraient une chaîne de production idéale : une bouteille pour un photon, sans une goutte à côté.

À l'intérieur d'une minuscule cavité miroir, plus petite que l'épaisseur d'un cheveu, la lumière est piégée et se réfléchit de nombreuses fois sur les parois. Si l'on y place une substance capable d'absorber et d'émettre de la lumière, les particules de lumière (photons) se « vêtent » d'excitations de la matière — c'est ainsi que naissent les modes polaritoniques.

À l'intérieur d'un œuf fécondé de grenouille, des vagues se propagent — comme des ronds dans l'eau, mais faites de protéines qui commandent la division cellulaire. Ces vagues parcourent des millimètres, alors que l'œuf lui-même fait moins d'un millimètre. On ne comprenait pas pourquoi elles ne se dérèglent pas. Il s'avère que les vagues se frayent elles-mêmes le chemin.

La lumière ordinaire se disperse dans toutes les directions, mais des physiciens l'ont transformée en une sorte de tapis roulant : un flux unidirectionnel qui ne fait pas demi-tour. Pour cela, ils ont fait passer deux faisceaux opposés à travers un nuage d'atomes de Rydberg, gonflés jusqu'à la taille d'une minuscule poussière.

Deux pendules accrochés au même mur, partis en désordre, finissent par battre ensemble au bout d'une heure. C'est une synchronisation de ce type que Christiaan Huygens remarqua en 1665 en observant les horloges de son atelier. Aujourd'hui, son observation se répète en laboratoire, avec une nuance : les pendules ne sont pas en bois, mais quantiques.