La science simplifiée : qu'est-ce que la mécanique quantique ?

Cette théorie historique est née au début du 20e siècle et a été largement utilisée dans le monde réel au 21e siècle. Le scientifique d'Argonne Harmon et de nombreux autres scientifiques appliquent la mécanique quantique en laboratoire et développent des technologies qui pourraient un jour transformer la société et notre compréhension de l'univers. Les capteurs quantiques peuvent détecter des cellules cancéreuses auparavant indétectables. Un Internet quantique pourrait garantir que les communications d’informations et de données soient à l’épreuve du piratage. Les ordinateurs quantiques peuvent résoudre des problèmes complexes que les ordinateurs classiques ne peuvent pas résoudre. La théorie quantique continuera également à faire progresser notre compréhension de l’univers, depuis la dynamique complexe des atomes jusqu’aux grands événements cosmiques de la naissance de l’univers.

Au début du XXe siècle, les scientifiques ont commencé à développer la mécanique quantique pour expliquer une série de résultats expérimentaux qui ne pouvaient être expliqués par aucune autre explication. Aujourd’hui, les scientifiques utilisent cette théorie pour créer des technologies puissantes : des messages incassables, une découverte de médicaments plus rapide et des images de meilleure qualité sur les écrans de téléphones portables et de télévision.

Alors, qu’est-ce que le quantique ? Dans un sens plus large, le mot « quantique » peut faire référence à la plus petite quantité possible de quelque chose. Le domaine de la mécanique quantique étudie la matière la plus fondamentale, l'énergie et la lumière, ainsi que la manière dont elles interagissent pour constituer le monde.

Contrairement à la façon dont nous pensons habituellement au monde, où nous imaginons les choses ayant individuellement les propriétés de particules ou d'ondes (comme les balles de baseball et les vagues de l'océan), ce concept ne fonctionne pas en mécanique quantique. Selon les circonstances, les scientifiques peuvent observer qu’un même objet quantique possède les propriétés d’une particule ou d’une onde. Par exemple, la lumière ne peut pas être considérée comme uniquement des photons (un type de particule lumineuse) ou simplement des ondes lumineuses, car nous pouvons observer les deux comportements dans différentes expériences.

Dans les jours ordinaires, nous voyons les choses dans un seul « état » à la fois : ici ou là, en mouvement ou stationnaires, à l’endroit ou avec la queue vers le haut. En mécanique quantique, l’état d’un objet n’est pas toujours simple. Par exemple, avant de déterminer l’emplacement d’un ensemble d’objets quantiques, ceux-ci peuvent exister dans une superposition (ou une combinaison spéciale) d’un ou plusieurs emplacements. Différents états possibles se combinent et interfèrent les uns avec les autres comme les vagues dans un étang, et un objet n'a une position définie qu'après l'avoir observé. 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 des objets quantiques (tels que des électrons) peuvent parfois traverser des obstacles autrement impénétrables. Cela se produit parce que la superposition permet à un électron d’avoir une petite chance d’apparaître de l’autre côté de la barrière. La technologie de tunneling quantique a des applications dans des domaines tels que les dispositifs de mémoire flash, les microscopes puissants et les ordinateurs quantiques.

Lorsque des objets quantiques interagissent, ils sont connectés les uns aux autres via une connexion appelée intrication. Cette connexion est maintenue même lorsque les objets sont éloignés les uns des autres. Einstein l'appelait le « fantôme de la distance ». Les scientifiques l'utilisent pour des communications ultra-sécurisées, et c'est également une fonctionnalité essentielle de l'informatique quantique.

Au Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE), les scientifiques utilisent une expertise et des installations de recherche de classe mondiale pour développer des technologies quantiques permettant de stocker, de transmettre et de protéger les informations, et d'étudier notre univers, depuis la dynamique complexe au plus profond des atomes jusqu'à des événements aussi grandioses que la naissance de l'univers. Argonne dirige également Q-NEXT (le Centre national de recherche sur les sciences de l'information quantique du département américain de l'Énergie), qui développe des matériaux et des dispositifs quantiques et applique la puissance de la technologie quantique aux communications.