La physique quantique suscite autant de fascination que de perplexité par son caractère profondément contre-intuitif. Pour éclairer ce domaine en pleine mutation, le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) réunit deux de ses chercheurs : Nicolas Sangouard, théoricien de l’information quantique, et Emmanuel Flurin, expérimentateur en électronique quantique.

À travers des analogies vivantes, allant du jeu vidéo vintage aux cigares de mauvaise qualité, cette table ronde retrace le passage historique de la compréhension de la matière à la maîtrise pure de l’information quantique.

Ce qu’il faut retenir

Le message central de cet échange s’articule autour de trois points fondamentaux :

  • Une théorie universelle de la nature : La physique quantique ne s’applique pas uniquement à l’infiniment petit. Elle constitue la description la plus précise et fondamentale de toute notre réalité, bien que les effets quantiques soient masqués à notre échelle par le phénomène de décohérence.
  • Le basculement de la seconde révolution quantique : Alors que la première révolution quantique visait à comprendre la matière pour concevoir des composants collectifs, la seconde révolution inverse la perspective. La matière y est désormais vue comme un support permettant de manipuler des bits quantiques individuels et d’exécuter des lois de calcul inédites.
  • L’analogie du jeu vidéo et du substrat informatique : Le monde sensible que nous percevons peut être comparé au gameplay d’un jeu vidéo, gouverné par des lois d’émergence. Sous cette réalité macroscopique se cache une mécanique matricielle complexe, où l’information binaire quantique régit le fonctionnement de l’Univers.

Introduction aux principes fondamentaux

La physique classique, héritée des travaux d’Isaac Newton au 17e siècle, décrit à merveille les objets de notre quotidien. Une tasse à café possède une position précise et une vitesse bien définie. Cependant, lorsqu’on observe les atomes qui composent cette même tasse, les règles du jeu changent radicalement.

Au début du 20e siècle, le physicien français Louis de Broglie démontre que la matière microscopique présente une nature duale. Les particules telles que les électrons et les atomes se comportent simultanément comme des billes de matière et comme des ondes qui se propagent.

Cette dualité onde-corpuscule empêche de définir à la fois la position et la vitesse d’un objet quantique. C’est le cœur même du principe d’incertitude énoncé par Werner Heisenberg.

En 1925, le physicien autrichien Erwin Schrödinger formalise ces comportements à travers une équation célèbre. De cette équation émergent deux concepts cruciaux : la quantification et la superposition.

La quantification implique que les systèmes physiques, comme l’atome d’hydrogène, ne peuvent occuper que certains niveaux d’énergie discrets. L’électron ne peut pas se situer n’importe où autour du noyau, il réside sur des orbites bien précises.

La superposition quantique permet quant à elle à un système de se trouver dans plusieurs états en même temps. Un électron peut ainsi occuper virtuellement plusieurs orbites simultanément, un phénomène totalement absent de notre expérience quotidienne.

Contrairement à ce que l’on pourrait penser, le socle mathématique qui sous-tend ces idées n’est pas inaccessible. Il repose sur des opérations fondamentales appliquées non pas à des nombres isolés, mais à des tableaux de nombres appelés matrices.

La décohérence et le mystère des échelles

Une question légitime surgit face à ces étranges propriétés : pourquoi les objets de notre quotidien ne se trouvent-ils pas dans plusieurs états superposés ? Une toupie ne s’évapore pas sous forme d’onde et conserve une trajectoire parfaitement définie.

Historiquement, Heisenberg supposait l’existence d’une frontière nette entre le monde microscopique quantique et le monde macroscopique classique. La physique moderne a infirmé cette séparation stricte en établissant le principe de continuité.

Tout dans l’Univers est fondamentalement quantique. L’apparente disparité entre les deux mondes s’explique par la théorie de la décohérence, formalisée à la fin du 20e siècle.

Lorsqu’un système quantique interagit de manière répétée avec son environnement extérieur, ses superpositions s’effondrent extrêmement rapidement. Les propriétés quantiques s’évanouissent presque instantanément pour laisser place aux lois classiques de la mécanique newtonienne.

L’analogie du jeu vidéo moderne illustre parfaitement ce phénomène d’émergence. Dans des titres en monde ouvert comme Zelda ou Minecraft, le joueur évolue dans une réalité 3D cohérente soumise à un gameplay strict.

Pourtant, cette réalité virtuelle émerge d’un processus informatique sous-jacent. Des cartes graphiques (GPU) exécutent des calculs matriciels massifs basés sur des séries de zéro et de un pour afficher cet univers.

La physique classique équivaut à étudier les lois du gameplay depuis l’intérieur du jeu. La physique quantique correspond à l’étude fine de la trame numérique, en repérant les légers accrocs ou « glitchs » qui révèlent la nature codée du monde.

L’expérience de Stern et Gerlach : la découverte du spin

L’un des plus célèbres « glitchs » de l’histoire de la physique a été mis en évidence par Otto Stern et Walther Gerlach au début des années 1920. Leur objectif était de vérifier si les atomes se comportent comme de minuscules aimants orientables dans toutes les directions.

Pour cela, ils ont conçu un dispositif projetant un faisceau d’atomes d’argent à travers un champ magnétique non uniforme, vers un écran de détection. Dans un monde classique, le champ magnétique aurait dû étaler les atomes de manière continue sur l’écran en fonction de leur orientation spatiale.

L’expérience s’est heurtée à une difficulté pratique majeure : aucun impact d’atome n’apparaissait sur la plaque de détection. La légende raconte que la solution est venue de la fumée d’un cigare de bas prix fumé par l’un des chercheurs.

La fumée contenait du soufre qui, en réagissant chimiquement avec l’argent déposé sur l’écran, a révélé la trace des impacts sous forme de sulfure d’argent. Ce développement fortuit a fait apparaître un résultat stupéfiant : deux taches très distinctes de chaque côté de la zone centrale.

Cette observation a prouvé que la magnétisation des atomes ne varie pas de manière continue. Elle ne peut prendre que deux valeurs discrètes : alignée ou anti-alignée avec le champ magnétique.

Cette propriété quantique intrinsèque, qui n’a aucun équivalent classique direct, a été baptisée le spin. Cette découverte historique valût le prix Nobel aux deux physiciens et ouvrit la voie à des technologies révolutionnaires.

La première révolution quantique et ses applications

La première révolution quantique s’est déployée tout au long du 20e siècle. Elle a consisté à comprendre les lois de la mécanique quantique pour expliquer le comportement de la matière et créer des composants collectifs.

Avant cette avancée, la science était incapable d’expliquer pourquoi certains matériaux conduisent l’électricité tandis que d’autres sont isolants. L’élucidation des bandes d’énergie dans les solides a permis de maîtriser les semi-conducteurs comme le silicium.

En appliquant un champ électrique sur un morceau de silicium, il devient possible de contrôler finement son état conducteur ou isolant. Cette bascule logique a donné naissance au transistor, le composant de base de toute l’informatique moderne.

Un simple processeur graphique contemporain intègre ainsi plusieurs milliards de ces petits interrupteurs en silicium. Le laser et l’imagerie par résonance magnétique (IRM) constituent d’autres retombées directes de cette première vague de découvertes.

L’histoire de l’IRM s’étend sur près de sept décennies de recherches fondamentales. Après la Seconde Guerre mondiale, Felix Bloch et Edward Purcell ont découvert qu’il était possible de faire basculer le spin des noyaux atomiques en les éclairant avec des ondes radio spécifiques.

Plus tard, les chercheurs ont constaté que la fréquence de résonance du noyau d’hydrogène varie légèrement selon son environnement chimique atomique. La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) était née.

Dans les années 1970, le médecin Raymond Damadian a observé que le temps de relaxation des spins nucléaires différait légèrement entre un tissu sain et un tissu cancéreux. Enfin, Paul Lauterbur a eu l’idée d’appliquer un champ magnétique inhomogène pour spatialiser ce signal et créer une image médicale tridimensionnelle d’une précision inégalée.

La seconde révolution quantique : de la matière à l’information

Tandis que la première révolution exploitait des effets quantiques à grande échelle sur un nombre colossal de particules, la seconde révolution quantique change totalement d’échelle. Son objectif réside dans la capacité à isoler, manipuler et intriquer des systèmes quantiques individuels, tels qu’un atome unique ou un unique photon.

À partir des années 1980, la communauté scientifique réinterprète les équations fondamentales de la physique en termes de théorie de l’information. La matière n’est plus seulement considérée comme un objet d’étude, mais comme un support physique permettant de stocker et traiter des bits quantiques.

De cette approche formelle découlent des principes algorithmiques inédits. Le théorème de non-clonage quantique démontre qu’il est rigoureusement impossible de copier un état quantique inconnu. En langage informatique, le « copier-coller » (Ctrl+C / Ctrl+V) est interdit par les lois de la nature.

En revanche, le protocole de téléportation quantique autorise le « couper-coller » (Ctrl+X / Ctrl+V). Il est possible de détruire l’information quantique en un point de l’Univers pour la faire réapparaître instantanément en un autre endroit, sans altération.

L’intrication quantique constitue la ressource clé de cette informatique d’un genre nouveau. Deux particules intriquées forment un système unique et indissociable, quelle que soit la distance qui les sépare. Une action mesurée sur l’une influe instantanément sur les corrélations constatées sur l’autre.

Longtemps contestée par Albert Einstein qui y voyait une « action fantôme à distance », cette propriété non-locale a été définitivement validée par les expériences d’Alain Aspect dans les années 1980, récompensées par le prix Nobel de physique en 2022.

L’ordinateur quantique et les défis du futur

L’ordinateur quantique représente le graal technologique de cette seconde révolution. En remplaçant les bits classiques (0 ou 1) par des qubits capables d’occuper des états de superposition, la puissance de calcul théorique augmente de manière exponentielle.

Certains algorithmes spécifiquement conçus pour ce support, comme l’algorithme de Shor publié en 1991, promettent de résoudre des problèmes mathématiques complexes hors de portée des supercalculateurs actuels, comme la factorisation des grands nombres utilisée en cryptographie.

Aujourd’hui, de nombreuses plates-formes physiques sont en compétition pour incarner ces qubits : des circuits supraconducteurs refroidis près du zéro absolu, des ions piégés, des atomes neutres ou encore des spins d’électrons isolés dans le silicium.

Au-delà du calcul pur, la simulation quantique offre des perspectives saisissantes. Tout comme l’industrie aéronautique a remplacé les souffleries physiques par des simulations numériques du flux d’air, la chimie et la pharmacie ont besoin de processeurs quantiques pour modéliser la matière.

Il est en effet impossible pour un ordinateur classique de simuler le comportement d’une molécule complexe de quelques dizaines d’atomes, car la taille des matrices de calcul dépasse le nombre d’atomes présents dans l’Univers. Un simulateur quantique permettra de concevoir sur mesure de nouveaux médicaments et matériaux d’avenir.

Le principal obstacle technologique réside actuellement dans le contrôle du bruit environnemental et de la décohérence. Les chercheurs du CEA travaillent activement sur la correction d’erreurs quantiques.

Comme il est impossible de mesurer un qubit sans détruire son état de superposition, la solution consiste à répartir l’information sur un grand nombre de qubits physiques redondants pour former un qubit logique protégé. Réduire ce besoin en ressources matérielles reste le grand défi théorique et expérimental des prochaines décennies.