Science simplifiée : qu’est-ce que la mécanique quantique ?

Qu’est-ce que la mécanique quantique ?

Imaginez un monde dans lequel les objets peuvent sembler exister à deux endroits à la fois ou s’influencer mutuellement à travers l’univers.

Même si nous ne voyons pas ce genre de choses dans notre vie quotidienne, des curiosités similaires semblent exister tout autour de nous dans le comportement fondamental de notre univers et de ses plus petits éléments constitutifs. Ces caractéristiques particulières de la nature sont décrites par une branche de la physique appelée mécanique quantique.

Dans cette vidéo Science 101 : Qu’est-ce que la mécanique quantique, Katherine Harmon – boursière Argonne à la Division de la science des matériaux – explique ce qu’est la mécanique quantique. La mécanique quantique est une théorie qui traite des éléments les plus fondamentaux de la matière, de l’énergie et de la lumière, ainsi que de la manière dont ils interagissent les uns avec les autres pour constituer le monde. Cette théorie historique est née au début du 20e siècle et trouve de nombreuses applications concrètes au 21e siècle. En appliquant la mécanique quantique en laboratoire, des scientifiques d’Argonne comme Harmon et bien d’autres développent des technologies qui pourraient un jour transformer la société et notre compréhension de l’univers. Des capteurs quantiques pourraient détecter des cellules cancéreuses auparavant indétectables. Un Internet quantique pourrait garantir une communication inpiratable des messages et des données. Les ordinateurs quantiques pourraient résoudre des problèmes complexes que les ordinateurs classiques ne peuvent pas résoudre. La théorie quantique continuera également à faire progresser notre connaissance de l’univers à partir de la dynamique complexe au plus profond d’un atome à des événements cosmiques aussi grandioses que la naissance de l’univers.

Au début des années 1900, les scientifiques ont commencé à développer la mécanique quantique afin d’expliquer les résultats d’un certain nombre d’expériences qui défiaient toute autre interprétation. Aujourd’hui, les scientifiques utilisent cette théorie pour créer des technologies puissantes : communication de messages impossible à pirater, découverte de médicaments plus rapide et images de meilleure qualité sur les écrans de votre téléphone et de votre téléviseur.

Alors, qu’est-ce que le quantique ? Dans un sens plus général, le mot « quantique » peut faire référence à la plus petite quantité possible de quelque chose. Le domaine de la mécanique quantique traite des éléments les plus fondamentaux de la matière, de l’énergie et de la lumière, ainsi que de la manière dont ils interagissent les uns avec les autres pour constituer le monde.

Contrairement à la façon dont nous pensons habituellement au monde, où nous imaginons les choses comme ayant des propriétés de particules ou d’ondes séparément (balles de baseball et vagues océaniques, par exemple), de telles notions ne fonctionnent pas en mécanique quantique. Selon la situation, les scientifiques peuvent observer le même objet quantique comme étant semblable à une particule ou à une onde. Par exemple, la lumière ne peut être considérée comme un simple photon (une particule lumineuse) ou seulement une onde lumineuse, car nous pourrions observer les deux types de comportements dans différentes expériences.

Au quotidien, nous voyons les choses dans un « état » à la fois : ici ou là, en mouvement ou immobiles, à l’endroit ou à l’envers. L’état d’un objet en mécanique quantique n’est pas toujours aussi simple. Par exemple, avant de chercher à déterminer les emplacements d’un ensemble d’objets quantiques, ils peuvent exister dans ce qu’on appelle une superposition – ou un type spécial de combinaison – d’un ou plusieurs emplacements. Les différents états possibles se combinent et interfèrent les uns avec les autres comme des vagues dans un étang, et les objets n’ont une position définie qu’après avoir regardé. La superposition est l’une des principales caractéristiques qui rendent les ordinateurs quantiques possibles, car elle nous permet de représenter l’information de manière nouvelle et utile.

Un autre comportement quantique intéressant est le tunneling, où un objet quantique, comme un électron, peut parfois traverser des barrières qu’il ne pourrait pas franchir autrement. Cela se produit parce que la superposition laisse une petite chance que l’électron se trouve de l’autre côté de la barrière. Le tunneling quantique a des applications telles que dans les dispositifs de mémoire flash, les microscopes puissants et les ordinateurs quantiques.

Lorsque des objets quantiques interagissent, ils sont liés les uns aux autres via une connexion appelée intrication. Cette connexion est valable même si les objets sont séparés par de grandes distances. Einstein l’appelait « une action effrayante à distance ». Les scientifiques l’utilisent pour des communications ultra-sécurisées, et c’est une fonctionnalité essentielle dans l’informatique quantique.

Au Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE), les scientifiques profitent d’une expertise et d’installations de recherche de classe mondiale pour développer des technologies quantiques permettant de stocker, transporter et protéger les informations, et d’étudier notre univers, à partir de la dynamique complexe au plus profond d’un atome. à des événements aussi grandioses que la naissance de l’univers lui-même. Argonne dirige également Q-NEXT, un centre national de recherche en sciences de l’information quantique du DOE qui travaille au développement de matériaux et de dispositifs quantiques et à l’exploitation de la puissance de la technologie quantique pour la communication.

Qu’est-ce que la science de l’information quantique ?

Tirer parti d’un comportement contre-intuitif à l’échelle atomique pour créer de puissants changements dans les sciences de l’information à une échelle pratique.

Les scientifiques se précipitent pour développer des systèmes quantiques capables de stocker, transporter, manipuler et protéger les informations.

Les qubits (bits quantiques) sont les composants fondamentaux de l’informatique quantique et d’autres systèmes d’information quantique. Ils sont analogues au bit des ordinateurs classiques, 0 ou 1. Ce qui rend les qubits vraiment étranges, c’est qu’ils peuvent être simultanément 0 et 1. Cet état superposé donne aux ordinateurs quantiques une puissance considérablement accrue. Le qubit lui-même peut se présenter sous de nombreuses formes différentes : des électrons, des particules de lumière et même de minuscules défauts dans des matériaux par ailleurs hautement structurés.

Les scientifiques cherchent à concevoir des qubits qui maintiennent l’information dans leur état quantique pendant quelques secondes (« cohérence ») et peuvent établir des liens avec d’autres qubits (« intrication »).

Les technologies quantiques pourraient transformer la sécurité nationale et financière, la découverte de médicaments ainsi que la conception et la fabrication de nouveaux matériaux, tout en approfondissant notre compréhension de l’univers.