Le prix Nobel de physique 2025 récompense trois physiciens quantiques – John Clarke, Michel H. Devoret et John M. Martinis – pour leur étude de la mécanique quantique dans un circuit électrique macroscopique.
Depuis l'annonce du prix, des acclamations et de l'enthousiasme ont entouré les institutions d'origine de ces lauréats à Berkeley, Santa Barbara et New Haven.
L'attribution de ce prix prestigieux à des recherches pionnières en physique quantique coïncide avec le 100e anniversaire de la naissance de la mécanique quantique, une théorie scientifique révolutionnaire qui constitue le fondement de la physique moderne.
La mécanique quantique a été initialement formulée pour expliquer et prédire les comportements déroutants des atomes, des molécules et des particules subatomiques. Depuis, il a ouvert la voie à un large éventail d’applications pratiques, notamment la mesure de précision, la technologie laser, l’imagerie médicale et, probablement la plus vaste de toutes, les dispositifs électroniques à semi-conducteurs et les puces informatiques.
Pourtant, de nombreux aspects du monde quantique sont longtemps restés mystérieux pour les scientifiques et les ingénieurs. D’un point de vue expérimental, la minuscule échelle des particules microscopiques pose des défis exceptionnels pour l’étude des lois subtiles de la mécanique quantique en laboratoire.
Les promesses des machines quantiques
Depuis les dernières décennies du siècle dernier, les chercheurs du monde entier ont cherché à isoler, contrôler et mesurer avec précision des objets physiques individuels, tels que des photons uniques et des ions atomiques, qui présentent des comportements quantiques dans des conditions expérimentales très spécifiques. Ces efforts ont donné naissance au domaine émergent de l’ingénierie quantique, qui vise à utiliser les particularités de la physique quantique pour des innovations technologiques révolutionnaires.
L'une des directions les plus prometteuses est le traitement de l'information quantique, dont l'objectif est de concevoir et de mettre en œuvre des machines capables de coder, traiter, transmettre et détecter des informations de manières quantiques « étranges » : par exemple, un objet peut être dans une superposition de différents états en même temps. Les objets éloignés peuvent manifester une intrication quantique – des corrélations distantes qui échappent à toute interprétation classique possible. Par rapport à leurs prédécesseurs en électronique conventionnelle, les machines d’information quantique pourraient présenter des avantages dans des tâches spécifiques de calcul, de simulation, de cryptographie et de détection.
La réalisation de telles machines quantiques nécessiterait que les expérimentateurs aient accès à des composants physiques fiables, pouvant être assemblés et contrôlés à l’échelle humaine, tout en obéissant pleinement à la mécanique quantique. Aussi contre-intuitif que cela puisse paraître, pouvons-nous briser les frontières implicites du monde naturel et introduire les lois physiques microscopiques dans la réalité macroscopique ?
Mécanique quantique dans un circuit électrique
En 1985, les trois lauréats du prix Nobel – travaillant alors dans le même groupe de recherche à l’Université de Californie à Berkeley – ont fourni une réponse affirmative à la question ci-dessus. Ils étudiaient des circuits électriques constitués de supraconducteurs. La supraconductivité est un état particulier de la matière célèbre pour conduire les courants électriques sans résistance, en raison des interactions mécaniques quantiques sous-jacentes des électrons à basse température. Pour la première fois, le trio a observé des comportements quantiques distincts d’une variable physique macroscopique.
Dans un supraconducteur, deux électrons se lient pour former une paire de Cooper. Ces paires d'électrons se condensent dans un état macroscopique, qui peut être décrit par une variable de phase collective partagée par tous ses constituants microscopiques. Dans cet état, des milliards d’électrons ou plus se comportent effectivement comme une seule entité, ressemblant aux collections massives d’atomes qui forment des objets du quotidien comme des pendules ou des boules de billard.
Pour observer le mouvement mécanique quantique de cette variable de phase macroscopique, les trois scientifiques ont fabriqué un dispositif appelé jonction Josephson, composé de deux morceaux de supraconducteurs séparés par une couche isolante plus fine que 1/10 000e d'un cheveu humain. Ils ont découvert qu'à des températures suffisamment basses (inférieures à -273 degrés Celsius ou -459 degrés Fahrenheit), la différence de phase variable à travers la jonction Josephson montre un phénomène mécanique quantique unique connu sous le nom de tunnel quantique, dans lequel un objet peut échapper à une barrière sans avoir besoin de grimper par-dessus son sommet.
De plus, l’équipe a exposé la jonction Josephson à un rayonnement électromagnétique micro-ondes dont la fréquence est proche de celle des signaux Wi-Fi. Ils ont mesuré les niveaux d’énergie du circuit à des valeurs discrètes ou quantifiées, qui ne sont généralement présentes que dans les atomes et molécules microscopiques. Le dispositif utilisé dans ces expériences peut donc être qualifié d’« atome artificiel », c’est-à-dire un circuit électrique doté de propriétés semblables à celles d’un atome, qui est à la fois de taille macroscopique, de conception ajustable et de nature mécanique quantique.
Implications et perspectives
Les travaux révolutionnaires de Clarke, Devoret et Martinis ont eu de nombreux impacts profonds. Au niveau fondamental, ils ont suggéré que des phénomènes quantiques distincts – autrefois considérés comme n’existant qu’au niveau microscopique – peuvent en réalité se manifester à des échelles physiques beaucoup plus grandes. Entre-temps, l’invention des atomes artificiels supraconducteurs a ouvert de toutes nouvelles voies vers la construction de machines quantiques utiles dotées de techniques d’ingénierie avancées.
Sur la base de ces découvertes, les chercheurs – y compris les lauréats du prix Nobel et leurs groupes de recherche – ont réalisé des progrès significatifs dans la construction de prototypes d’ordinateurs quantiques utilisant des circuits quantiques supraconducteurs au cours des décennies qui ont suivi. L'unité élémentaire qui compose ces processeurs d'informations est le bit quantique supraconducteur, ou « qubit » en abrégé. Chaque qubit supraconducteur est un atome artificiel contenant une ou plusieurs jonctions Josephson. Son état quantique peut être préparé, manipulé et mesuré avec précision par les expérimentateurs. La perfection et l’intégration des qubits supraconducteurs font partie des défis de pointe de la technologie de l’information quantique.
Le prix Nobel de physique 2025 récompense des recherches originales à l’intersection des sciences fondamentales et appliquées. Les lauréats ont testé de profondes hypothèses en matière de mécanique quantique grâce à une expérimentation claire et rigoureuse.
De ces atomes artificiels ont émergé les efforts audacieux et les progrès rapides dans la construction de machines d’information quantiques pratiques. La combinaison de recherches intellectuelles pures et de progrès en ingénierie façonne ce domaine interdisciplinaire depuis sa création.
Ce prix Nobel est donc un hommage aux trois inventeurs des circuits quantiques supraconducteurs, dont l'esprit curieux, la vision large et l'attitude aventureuse représentent le véritable esprit scientifique et continueront d'inspirer les générations futures.
