La physique Quantique

 Intrication quantique

Intrication quantique.

La physique quantique

 

La plus grande partie de « la théorie quantique » a été élaborée dans les années 1920, au moment où la physique classique ne pouvait plus répondre à une partie des questions concernant l’infiniment petit, ce que l’on appelle aujourd’hui « le monde quantique ». Certaines expériences ne trouvant plus de validation par la théorie dite normale, Heisenberg et Schrödinger ont alors chacun présenté de leur côté de nouveaux modèles.

Ces théories ont par la suite donné naissance à de nombreuses applications, utiles à notre quotidien. Le laser, les transistors ou encore l‘imagerie médicale en sont de bons exemples. Ces avancées ne s’arrêtent pas là puisque la mécanique quantique pourrait bientôt révolutionner l’informatique avec l’ordinateur quantique (au conditionnel s’il vous plait ! il n’y a rien de concret pour le moment dans ce domaine)

Comment est elle née la ?

La théorie quantique a été construite en 1925, presque tout, a été fait à ce moment-là et c’était à une période où la physique classique s’effondrait peu à peu. C’est-à-dire qu’il y avait une série d’expériences que l’on était capable de réaliser mais qui étaient totalement inexplicable. Non seulement on ne comprenait pas mais en plus la théorie classique nous disait d’observer le contraire de ce que l’on observait.

Il y a bien eu le modèle de Bohr en 1913 qui a été une espèce d’étape importante, mais dont on s’est rendu compte extrêmement vite que cela ne pouvait pas être la théorie définitive. La théorie qui allait marcher. Pourquoi ? Parce que c’était une théorie qui en un sens était entre guillemets « bâtarde ».

Niels Bohr

Niels Henrik David Bohr pionnier du monde quantique.

Max Von Laue

Max Von Laue père de la diffraction X.

Elle était géniale, Bohr était un génie absolu, mais pour montrer les difficultés, ou plutôt comment ce que Bohr a proposé, a choqué certains esprits, Max von Laue qui était quand même le père de la diffraction X (plus précisément de l’analyse des spectres X), donc Max von Laue a dit du travail de Bohr: « tout ceci est un non-sens absolu parce que les équations de Maxwell sont vraie en toutes circonstances ». Contredire un très grand physicien en prenant un autre très grand physicien pour dire « C’est absurde ! » il fallait « oser ».

Donc il y a eu Niels Henrik David Bohr en 1913, cela était une étape importante.

Deux moments décisifs

Mais les deux moments décisifs, ont été 1925 et 1926. Il y a eu deux approches presque contemporaines.

D’abord Heisenberg, 23/24 ans ce qu’il a fait est fabuleux, il a fabriqué ce que l’on appelle la « Mécaniques des matrices », c’est une démarche absolument prodigieuse qui malheureusement a été mal perçue à l’époque, parce qu’elle utilisait un langage Mathématique précisément, les « Matrices », que presque tous les physiciens à une expression près, Max Born, ignoraient totalement.

(Max Born est un physicien allemand. Physicien théoricien remarquable, il est principalement connu pour son importante contribution à la physique quantique. Il a été le premier à donner au carré du module de la fonction d’onde la signification d’une densité de probabilité de présence).

Erwin Schrodingger

Erwin Schrodingger fait faire un grand pas à la théorie quantique.

Heureusement 6 mois après il y a eu Schrödinger qui lui, a utilisé le langage des Ondes qui était beaucoup plus familier aux physiciens. (Erwin Rudolf Josef

Schrödinger

Alexander Schrödinger est un physicien, philosophe et théoricien scientifique autrichien).

En imaginant l’équation d’évolution de la fonction d’onde associée à l’état d’une particule, il a permis le développement du formalisme théorique de la mécanique quantique. Cette équation d’onde, qui tient compte à la fois de la quantification et de l’énergie non relativiste, a été appelée par la suite équation de Schrödinger (pour laquelle il a reçu, en commun avec Paul Dirac, le prix Nobel de physique de 1933).

Il est également connu pour avoir soumis l’étonnante expérience de pensée, nommée plus tard expérience du Chat de Schrödinger, à la suite d’une importante correspondance avec Albert Einstein en 1935.

Werner Heisenberg

Le physicien Werner Heisenberg – Approche du monde quantique.

Comme à la fois Heisenberg et Schrödinger retrouvaient les résultats qui étaient conforme à l’expérience on a enfin senti que c’était LA théorie. Mais ce qu’il faut savoir aussi, c’est que les deux approche de Heisenberg et de Schrödinger on ne démontre pas l’équation de Schrödinger, on ne démontre pas la relation de commutation fondamentale de la mécanique des matrices. C’est un cheminement, si vous voulez, par analogie comme dit Heisenberg quand il en parle en racontant ses souvenirs, il compare l’avancée de la science à la découverte de nouveau territoires au sens géographique du terme. Il dit, « il y a un moment, il faut sauter dans le vide« . Et lui c’est ce qu’il a fait !

Il a d’abord travaillé sous la direction de Max Born, Born a reçu le papier fondateur de Heisenberg avant publication et il en a parlé à un de ces amis pour dire « le travail de Heisenberg est très mystique mais il est surement exact« . Alors vous voyez le mot « mystique » employé par un « rationaliste absolu » comme l’était Max Born c’est quelque chose de stupéfiant !

Les grandes étapes

Il y a une chose que l’on ne dit pas assez à mon avis c’est que 80 ans auparavant, Hamilton vers 1850 avait déjà pressenti un tas de choses. J’ai l’habitude de dire que si Hamilton vers 1850, avait disposé de la formule E=hv (nu en grec) de Planck qui a été posé le 14 décembre 1900 donc en gros 50 ans après, je suis convaincu que Hamilton aurait inventé la théorie quantique.

William Rowan Hamilton

William Rowan Hamilton est arrivé 50 ans trop tard.

Donc les grandes étapes c’est :

Hamilton qui a posé quelques jalons mais qui n’a pas pu aller plus loin parce que rien ne justifiait à l’époque que l’on remette en cause la physique classique qui était triomphante.

Puis il y a eu l’E=hv (nu en grec) de Planck.

Ensuite il y a eu une série de tentatives pour essayer, tout en récupérant la relation de Planck et comprendre mieux les expériences cruciales.

Mais le grand pas, la grande étape décisive, c’est 1925/1926.

Quelles sont les expériences ayant amené cette découverte ?

  • Le rayonnement thermique, le rayonnement du corps noir.
  • L’effet photoélectrique, grâce au travail de Max Planck.
  • 1905 on parle toujours de l’année miraculeuse d’Einstein. Il est allé reprendre l’idée de Newton qui avait dit : « La lumière c’est des grains, des petits grains, c’est des corpuscules« . On avait complètement effacé cette idée parce qu’il y avait des phénomènes d’interférence et de diffraction que l’on explique très bien en termes d’ondes. Einstein va rechercher l’idée de Newton que la lumière, « c’est des petits grains« , et comme ça il est capable en une équation absolument simplicime d’expliquer l’effet photoélectrique.
  • Seul Einstein semble être le premier à avoir pris cette idée au sérieux.

     

    Albert Einchtein

    Albert Einchtein.

 

  • Il tente d’expliquer le mystérieux effet photoélectrique. En adoptant le concept quantique de la lumière alors l’effet photoélectrique devenait logique. Mais Einstein explique sa théorie de manière convaincante. Il publie sa théorie un peu après celle de la théorie de la relativité restreinte. Il a le prix Nobel en 1921 pour cette théorie et non pour celle de la relativité. A l’origine de la théorie quantique, et considérant que c’est  » la théorie la plus réussie de notre temps « , il n’acceptera pas la tournure probabilistique qu’elle prend :  » Dieu ne joue pas aux dés « .

    Stern et Gerlach

    Stern et Gerlach par leur expérience ont mis en forme la théorie quantique.

« E » correspond à l’énergie du photon, ν (lettre grecque nu) est la fréquence et h est la constante de Planck qui vaut 6,626076×10-34 J.s. L’énergie du photon est proportionnelle à la fréquence et varie donc en fonction de la couleur. Un principe physique qui permet de produire de l’électricité à partir de la lumière du soleil, utilisée aujourd’hui dans les panneaux solaires.

L’effet comptom

L’effet comptom, qui était quelque chose que l’on ne comprenait absolument pas. Qui a validé à nouveau la notion de quanton, de lumière, de grain de lumière. Ce que l’on appelle le photon depuis 1926 environ. Et l’expérience la plus cruciale de toutes c’est l’expérience de Stern et Gerlach qui est la déviation d’un jet atomique par un champ magnétique inhomogène. Cela a révélé deux choses absolument prodigieuses.

    • La quantification du mouvement cinétique, (mais cela est presque un sous-produit).
    • La chose absolument cruciale qu’a révélé l’expérience de Stern et Gerlach c’est l’existence du « Spin« .

Tout cela a permis de mettre des idées en place petit à petit, et puis cela a autorisé la poussée, la percée fulgurante de Heisenberg, Schrödinger, 2 ans après Dirac, et puis tous les grands noms de la physique moderne.

Paul Dirac

Le physicien Paul Dirac.

La période 1920/1930 a été la période la plus bouillonnante et la plus féconde de toute l’histoire de la Physique du moins jusqu’à présent.

L’ordinateur quantique

Où en est-on ? L’informatique quantique a pour objet de mémoriser et de traiter l’information en faisant appel aux déconcertantes et contre-intuitives propriétés des systèmes quantiques. Accoler l’adjectif «quantique» au mot «ordinateur» est l’idée surprenante de physiciens qui voulaient comprendre comment le flou quantique affecterait le bon fonctionnement des ordinateurs atteints d’une miniaturisation ultime en nanoélectronique. Pour ce faire, ils imaginèrent que les composants de base se réduiraient jusqu’à des particules tels les électrons ou les photons.

Il leur est apparu que les ordinateurs sous régime quantique ne se révèlent pas plus imprécis que les ordinateurs conventionnels à dépense d’énergie égale. Non seulement ils fonctionneraient aussi bien, mais ils le feraient incomparablement mieux, pour traiter certains problèmes comme celui de la factorisation des très grands nombres dont l’algorithme approprié ne peut être exécuté que sur un ordinateur quantique. La puissance de calcul de l’ordinateur quantique tient au fait que l’information quantique croît exponentiellement avec le nombre de bits quantiques qu’un registre contient, ce qui conduit à une quantité d’informations énorme et fabuleuse puisqu’un registre d’une capacité de 500 bits quantiques contient plus d’informations que n’en contiennent les atomes de tout l’Univers.

 

Ordinateur quantique D-Wave

Le soit disant Ordinateur quantique D-Wave.

Celui-ci se présente ainsi comme l’ordinateur quantique ultime. Cependant il y a des ombres au tableau. Par exemple, lire une information quantique, c’est la détruire, et la copier n’est pas toujours possible. On ne peut pas, en principe, la transmettre en codant un signal lumineux, mais on peut faire voyager un état quantique à la vitesse de la lumière, par téléportation. C’est un pas vers la fiction de « Star Trek ». Reste le grand obstacle de l’instabilité des systèmes quantiques. Mais là, c’est une autre histoire !

EdN.