La physique quantique : notre sélection de ressources

La physique quantique est sur le devant de la scène ! L’attribution en octobre 2022 du Prix Nobel de physique au Français Alain Aspect et à ses deux homologues, l’Américain John F. Clauser et l’Autrichien Anton Zeilinger, place cette discipline jusqu’alors plutôt discrète au cœur de l’actualité.

L’expression « physique quantique » apporte de l’étrangeté, nous plonge dans l’inconnu et donc suscite la curiosité. La physique quantique n’échappe pas tant à notre intelligence ou à notre pouvoir d’abstraction qu’à nos cinq sens : elle évolue dans un réel que nous sommes incapables de percevoir et de ressentir. En effet, les phénomènes quantiques ont des héros et des héroïnes bien particuliers : les atomes, les molécules, les ions, les photons. Autrement dit des sujets appartenant au monde de l’infiniment petit, de l’invisible.

L’atome est constitué de neutrons et de protons autour desquels gravitent des électrons ; cela signifie que la matière qui nous entoure est perpétuellement en mouvement. C’est fascinant, car un électron est à la fois une particule et une onde. En effet, en physique quantique : « les électrons, les atomes, les molécules ou même les photons – les grains de lumière – sont tout à la fois de petits corps et des ondes ! »1. Attention ! Les photons bien que pouvant être vus comme des particules n’ont pas de masse et sont pourtant des grains d’énergie.

Pour appréhender cette réalité, il faut faire preuve d’intuition et s’immerger là où le haut et le bas n’existent plus, non plus que la chronologie habituelle, puisqu’une particule peut être simultanément dans deux endroits à la fois. Plus étrange encore est le sort réservé à deux particules ou deux photons liés malgré la distance qui les sépare (plusieurs centimètres ou mètres). C’est ce qui se nomme l’intrication, une notion essentielle de la discipline. La démonstration de ce phénomène a été réalisée par Alain Aspect et ses collègues. L’étude d’une paire de photons (deux grains de lumière) a révélé que même séparés par un appareil optique, les deux photons restaient « corrélés ».

La physique quantique étudie donc à une micro-échelle la composition de la matière pour dévoiler ses comportements insolites à nos yeux : onde sous forme de vague, matière sous forme de nuage. Le mot latin « quantum » signifie « combien ». Cette racine latine existe dans le mot quantité. La physique quantique, cette « nouvelle physique » étudie les quanta autrement dit une « répartition » d’énergie qui évolue de façon discontinue.
Depuis son invention en 1900, par Max Planck, la recherche fondamentale en physique quantique se poursuit. Elle a déjà donné naissance à de nombreuses technologies : les composants électroniques à base de silicium, les lasers, les lumières Led, les cellules photovoltaïques… Aujourd’hui, l’étude des phénomènes à l’échelle de l’atome permet de transformer la matière. La chimie s’associe tout naturellement à la physique pour étudier de nouvelles constructions chimiques toujours à l’échelle du tout petit. On parle alors de chimie quantique.

Les technologies quantiques sont prometteuses et suscitent donc beaucoup d’intérêt de la part des Etats et des entreprises. En effet de nouvelles découvertes se profilent : la possibilité d’inventer de nouveaux outils de cryptographie, de calculer différemment et plus rapidement d’immenses quantités de chiffres. La mise en place de capteurs ultra-sensibles intéresse les chercheurs en métrologie et en sismologie. Depuis quelques temps, ces nouveaux capteurs rendus possibles par la physique quantique sont placés près des volcans pour mesurer les mouvements du magma et prévoir ainsi d’éventuelles éruptions.

Les ordinateurs quantiques proposeront des capacités de calcul jusqu’alors inaccessibles, des simulations de combinaisons chimiques ou de dispositifs industriels jusqu’alors impossibles à réaliser. Aujourd’hui, à l’état de prototype, l’ordinateur quantique est une belle promesse.

Vous souhaitez en savoir plus sur la physique quantique ? Découvrez notre sélection d’ouvrages et documents près du bureau Sciences jusqu’au 23 mai 2023. Vous pouvez également consulter en ligne ou télécharger en PDF une bibliographie composée de quatre axes :

• Pour aborder la physique quantique
• Un peu d’histoire
• Quelques cours et ouvrages qui expliquent ce qu’il se passe dans les labos
• Quelles seront les applications de la physique quantique ?