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La mécanique quantique

Publié le 15 mai 2019

​Qu'est-ce que la mécanique quantique ? Pourquoi est-elle utilisée ? A quoi sert-elle ? Où la retrouve-t-on dans notre quotidien ? Petite introduction au monde quantique.

Qu’est-ce que
la mécanique quantique ?

A l’aube du XXe siècle, la naissance de la physique quantique révolutionne notre conception du monde : les physiciens réalisent que la physique classique, qui décrit parfaitement notre environnement quotidien macroscopique, devient inopérante à l’échelle microscopique des atomes et des particules. En effet, les atomes et les particules élémentaires de la matière, n’évoluent pas comme un système classique, où les quantités d’énergie échangées peuvent prendre n'importe quelle valeur. Pour un système quantique, l’énergie s’échange par valeurs discrètes ou « quanta ».

Par ailleurs, la physique classique décrit différemment un corpuscule (atome, particule) et une onde (lumière, électricité) tandis que la mécanique quantique confond les deux descriptions : un photon, un électron, un atome ou même une molécule sont à la fois onde et corpuscule.

Si, en physique classique, l’état d’un système est parfaitement défini par la position et la vitesse de l'ensemble de ses composants– il ne peut être alors que dans un seul état à un moment et à un endroit donné, il n’en va pas de même en physique quantique. Un système quantique, tel qu'une simple onde-corpuscule, peut se trouver dans une superposition cohérente d'états, qui traduit la potentialité de tous ses états possibles. Sa présence à un endroit donné, son énergie deviennent alors probabilistes : ainsi, un atome peut être à la fois dans son état fondamental stable et dans un état excité (c’est-à-dire possédant une énergie supérieure, acquise par exemple par l'absorption d'un photon). Un photon peut être à un endroit et à un autre en même temps. On ne peut être certain qu'il est en un seul lieu que si l'on effectue une mesure. Le processus de mesure impose alors à l’onde-corpuscule un état défini.

De ces découvertes, qui forment la première révolution quantique, découlent un certain nombre d’applications encore utilisées aujourd’hui : les lasers, les circuits intégrés ou encore les transistors, à la base du fonctionnement des appareils électroniques notamment.

VidéoLa physique quantique, késako ?


Le chat de Schrödinger

Le physicien Schrödinger a utilisé une image devenue célèbre pour mettre en avant le côté paradoxal d’objets dont on ne peut pas connaître l’état à tout moment. Il a imaginé un chat « quantique », enfermé dans une boîte sans fenêtre en présence d’un poison déclenché par un processus quantique. Tant que la boîte n’est pas ouverte, on ne sait pas si le processus quantique a déclenché le mécanisme, le chat est à la fois mort et vivant avec des probabilités dépendant du processus. Bien sûr, quand on ouvre la boîte le chat est soit mort, soit vivant. En regardant à l’intérieur, on fait une mesure qui nous permet de connaître l’état quantique du système.

Vidéole chat de Schrödinger





À quoi sert
la mécanique quantique
aujourd’hui ?

Quelques effets sont emblématiques de la mécanique quantique :

  • L’effet laser est obtenu dans un système où les électrons sont majoritairement dans un même état excité et se désexcitent tous ensemble en émettant cette lumière intense. Cette transition des électrons d'un niveau d'énergie à un autre est un processus quantique.

  • La supraconductivité est la disparition de toute résistance électrique dans un conducteur. Elle apparaît lorsque les électrons, portant une même charge électrique, peuvent s’apparier et se condenser dans un unique état quantique.

  • L’effet tunnel permet à des électrons de franchir une « barrière » de potentiel ce qui est strictement interdit en physique classique.

  • Le spin est une propriété quantique sans équivalent classique, à l'origine des propriétés magnétiques de la matière.

Des physiciens cherchent à exploiter la richesse des états quantiques et à maîtriser leur mesure dans la perspective encore lointaine d’un ordinateur quantique.


La mécanique quantique prédit des comportements inhabituel, dont l'effet tunnel est un bon exemple

La mécanique quantique prédit des comportements inhabituel,
dont l'effet tunnel est un bon exemple. © Yuvanoé/CEA



Depuis le début des années 1980, la physique quantique a pris un nouveau tournant : c’est la deuxième révolution quantique, qui se poursuit encore aujourd’hui. En 1982, le physicien Alain Aspect et son équipe parviennent à démontrer la réalité du principe d’intrication quantique, concept fondamental de la physique quantique. Par ce phénomène, proposé dans le courant des années 1930 par Erwin Schrödinger et Albert Einstein, les particules constituant un système sont liés, et le restent quelle que soit la distance qui les sépare. Ainsi, pour une paire de photons, une mesure faite sur l’un modifiera instantanément l'état du second, même s'ils sont séparés d'une longue distance (le record de distance pour l'observation de l'intrication de deux photons a été atteint en 2020 dans le domaine de la cryptographie quantique : des physiciens chinois ont pu échanger un message secret sur 1 120 km). Cette propriété pourrait avoir des applications importantes dans le domaine de l’information quantique : cryptographie, téléportation de l'information ou encore l’ordinateur quantique.

Et le champ d’application de la physique quantique va bien au-delà : le formalisme de la mécanique quantique est utilisé par les chercheurs en nanosciences (chimie, optique, électronique, magnétisme, physique de l’état condensé) et par les physiciens des lois fondamentales de l’Univers (particules, noyau atomique, cosmologie).


Et demain,
la mécanique quantique ?

Les théories décrivant trois des quatre interactions fondamentales de l’Univers sont développées dans le cadre de la mécanique quantique :

  • l’interaction forte qui lie les composants du noyau entre eux,
  • l’interaction faible à l’origine de certaines formes de radioactivité,
  • l’électromagnétisme qui régit les phénomènes lumineux, électriques et magnétiques.

La quatrième interaction, la gravitation, est expliquée par la relativité. Jusqu’à présent, dans les domaines d’énergie et d’espace que l’homme a pu explorer, il n’a pas été nécessaire de « quantifier » la gravitation.
De nombreux physiciens cherchent cependant à unifier ces deux théories pour embrasser les lois de l’Univers de manière plus simple et complète.

Mécanique quantique et relativité

En mécanique quantique, temps et espace sont différenciés. Dans la théorie de la relativité, le temps et l’espace forment une seule entité : l’espace-temps, et matière et énergie sont liées. La mécanique quantique relativiste et la notion de champ sont à la base de la "théorie des champs" qui permet de comprendre les phénomènes de physique des hautes énergies au sein des accélérateurs de particules, ou encore les phénomènes de physique de la matière condensée : supraconductivité, effet Hall quantique, ou la superfluidité.



Equation de Schrödinger en mécanique quantique
Equation de Schrödinger en mécanique quantique. © D.Sarraute/CEA


Appareil de mesure du rendement quantique de cellules solaires
Appareil de mesure du rendement quantique de cellules solaires. © P.Avavian/CEA





VidéoEmettre la lumière grain à grain : échange quantique d'énergie



Trois exemples
d'application


Les diodes électroluminescentes (DEL)

La physique quantique permet de comprendre comment les diodes électroluminescentes (DEL ou LED en anglais) émettent de la lumière et pourquoi chaque DEL possède une couleur spécifique. L’animation ci-dessous illustre l’utilisation des DEL dans le quotidien et leur fonctionnement physique.

 

Le microscope à effet tunnel

L’effet tunnel est utilisé dans le microscope du même nom. Dans un tel microscope, une pointe métallique est placée très proche d'une surface conductrice avec une différence de potentiel de quelques volts. Bien que sans contact électrique direct entre pointe et surface, un courant tunnel s'établit. Lors d'un balayage de la surface par la pointe à courant constant, l'enregistrement de la distance pointe-surface donne une image de la surface à la résolution atomique.


Les orbitales atomiques

Les électrons entourent les noyaux des atomes. La mécanique quantique décrit le nuage électronique sous la forme d'orbitales dont la forme reflète la probabilité de présence de chaque électron dans l'espace. Cette description sous forme d'orbitales permet de décrire et comprendre la façon dont les atomes se rassemblent pour constituer molécules ou solides.




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VidéoL'histoire de l'ordinateur et de la physique quantique



VidéoLes bases de la physique quantique




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