une promenade quantique

Un siècle de mécanique quantique: 1900-2010• 1925-1930: naissance de la théorie quantique moderneHeisenbergSchrödinger Dirac 1927 Congrès Solvay• Développement du formalisme et de son interprétation– Lien entre objets mathématiques et réalité observable– Rôle des expériences de pensée• Une moisson énorme de succès– Physique atomique– Physique du solide– Physique des particules…ENS, 13/02/10 3

Une réussite théorique sans précédent…• Un énorme champ d’applications– Des constituants élémentaires (cordes et particules)• 10 -35 m à 10 -15 m– Aux structures cosmologiques• 10 26 m– En passant bien sûr par les atomes• 10 -10 m• Des prédictions d’une précision extrême– Accord théorie-expérience sur 12 chiffres !• Un cadre théorique universel– Toutes les interactions fondamentales de la nature dans uncadre unique (sauf la gravité)ENS, 13/02/10 4

…et des applications sans nombre• Physique du solide– Les circuits intégrés modernes reposent sur notre compréhensionquantique des semi-conducteursCircuit intégré: cristal desilicium sur lequel estdéposé un nombregigantesque de« transistors » semiconducteursENS, 13/02/10 5

… et des applications sans nombre• Physique atomique– Les lasers, prévus par Einstein en 1917, sont des dispositifsquantiques essentiels pour la transmission d’information a distance(réseau de fibres optiques) et le stockage d’information– Les horloges atomiques ultra-précises(1s par million d’années)sont au cœur du système GPSENS, 13/02/10 6

… et des applications sans nombre• L’imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire (IRM) est unecombinaison de technologies quantiques….+ +Aimants supraconducteursRésonance magnétiquedes protons dans unchamp magnétiqueCircuits intégrés semiconducteurspour lareconstruction des images• 40 % de la richesse mondiale repose sur notre compréhension quantiquedu monde microscopique.ENS, 13/02/10 7

État quantiqueLes surprises du monde quantiqueNotation de Dirac– Contient toute l'information sur le système• Une particule localisée en xx• Une particule localisée en yyLa mécanique quantique est une théorie linéaire. Toute somme d'étatspossibles est aussi un état possible12 x yUne particule dans deux endroits à la fois ???Commode, mais choquant….est un état possible de la particuleENS, 13/02/10 8

• EtatLes surprises du monde quantique12 x y– On mesure la position de la particule.• Deux résultats possibles x ou y• Se manifestent de façon aléatoire avec des probabilités égales– Un cas sur deux, on trouve x, un cas sur deux y• Un “pile ou face” fondamental. Rien ne permet de prédire le résultat d’uneexpérience quantique unique. Seules les probabilités d’occurrence sontprédictibles.– Renoncement au déterminisme classique (ce qui n’empêche pas defaire des prédictions extraordinairement précises).• Einstein « Dieu joue aux dés »• Bohr – « arrête de dire à Dieu ce qu’il doit faire »ENS, 13/02/10 9

• Etat après la mesure• xLes surprises du monde quantique– Ou• y• Une seconde mesure immédiatement après la première donne lemême résultat• La mesure modifie fondamentalement et irréversiblement l’état quantique.• Une notion nouvelle par rapport à la physique classique (on peut mesurerune quantité physique aussi précisément que possible sans pertruber lesystème)ENS, 13/02/10 10

Les limites du monde quantique• Pas de superposition à notre échelle !– Pas de chat de Schrödinger• Pourquoi ?– Un système macroscopique est très fortement couplé à sonenvironnement12Environment– Cet environnement « l’observe », le « mesure » en permanence et leforce à choisir entre les deux états– Décohérence• Un phénomène extraordinairement efficace qui confine l’étrangetéquantique au monde microscopiqueENS, 13/02/10 11

Les expériences de pensée deviennent réélles• Genèse de la physique quantique et expériences de pensée– Exacerber les comportements quantiques pour fonder l’interprétationdu formalisme• Des outils pour réaliser ces expériences de pensée• Lasers, ordinateurs…. qui nous permettent de…– Donner tort à Schrödinger«we never experiment with just one electron or atom or (small)molecule. In thought-experiments we sometimes assume that we do; thisinvariably entails ridiculous consequences…. »(Schrödinger British Journal of the Philosophy of Sciences, Vol 3, 1952)– Mieux apprivoiser l’étrangeté quantique– Rêver à des applications….ENS, 13/02/10 12

Peser un photon• Une expérience de pensée dans le débat Einstein/Bohr• Une réalisation moderne ??– Serge Haroche, Médaille d’or CNRS 2009 (LKB, ENS)ENS, 13/02/10 13

« Peser un photon »• Un photon micro-onde enfermé dans une « boîte » presqu’idéale• Sondé par des atomes ultra-sensiblesENS, 13/02/10 14

Naissance, vie et mort d’un photoneg100,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5temps (s)Gleyzes et al, Nature, 446, 297 (2007)ENS, 13/02/10 15

La physique quantique au XXI ème siècleUne théorie parfaitement bien établie, mais très contraire à notre intuition,forgée à la mesure du monde macroscopique.• Des illustrations expérimentales des postulats de base– Apprivoiser l’étrangeté quantique• Des questions ouvertes fondamentales– Théorie de la mesure, compréhension et interprétation des postulats– Limites monde quantique/monde classique, décohérence• Des applications à explorer:– Utiliser l'étrangeté quantique pour traiter et transmettre del'informationENS, 13/02/10 16

Ordinateur quantique• Des bits et des qubits– Ordinateur classique manipule des bits: 0 OU 1– Ordinateur quantique manipule des qubits: 0 ET 1• Superposition quantique de tous les calculs possibles– Infiniment plus efficace qu’unemachine classique• Réalisé: quelques opérations, quelques qubitsIntéressant pour la simulation de systèmesquantiques• Difficulté essentielle– Décohérence: l’ordinateur quantique estun chat de Schrödinger !ENS, 13/02/10 17

Pour en savoir plus• Ouvrages de vulgarisation (tous publics)– La cantique des quantiques (Ortoli et Pharabod, La découverte)– Initiation à la physique quantique (Scarani, Vuibert)– Numéro spécial de Sciences et Avenir (décembre 2008)– Numéro spécial de Science et Vie (février 2009)– L’Archicube N°7: La lumière (2009)• Manuels (niveau L3)– Physique quantique (M. Le Bellac, CNRS éditions)– Mécanique quantique (C. Aslangul, de Boeck)• Monographies (niveau M1)– Introduction à l’information quantique (M. Le Bellac, Belin)– Exploring the quantum (S. Haroche, J.M. Raimond, OUP)ENS, 13/02/10 18