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> Notre monde est aussi un autre monde

Être dans plusieurs états simultanément, ici et ailleurs, vivant et mort tout à la fois... voilà des motifs longuement exploités par la science-fiction, certes. Mais la science, "dure" celle-là, nous prouve aujourd'hui que ces fantasmes d'écrivains sont bien réels ! Bref détour dans un autre monde : celui de la physique quantique. Ou comment les conclusions de l'étude de l'infiniment petit (la physique quantique travaille à l'échelle atomique voire subatomique) viennent balayer les principes les plus élémentaires de notre monde macroscopique.

Pour les plus pressés, tentons de relever le défi d'expliquer les principes fondamentaux de la physique quantique à travers l'expérience du chat de Schrödinger :
Erwin Schrödinger est un physicien autrichien qui a imaginé l'équation d'évolution de la fonction d'onde associée à l'état d'une particule (à vos souhaits). Il a permis le développement théorique de la mécanique quantique. En 1935, il imagine une expérience qui permet de comprendre à notre échelle les principes en jeu dans la physique de l'infiniment petit. Il enferme un chat dans une boîte. Dans cette boîte se trouve aussi un dispositif qui peut tuer l'animal (dès qu'il y détecte la désintégration d'un atome d'un corps radioactif) en provoquant la chute d'un marteau sur une fiole de poison.(Précisons qu'il s'agit d'une expérience théorique et qu'aucun chat n'a réellement été maltraitré !).

Les probabilités indiquent qu'une désintégration a une chance sur deux de s'être produite au bout d'une minute. Donc au bout d'une minute, la probabilité que le chat soit mort est d'1 sur 2 (soit la même probabilité que lorsque l'on parie à pile ou face en jetant une pièce en l'air).
La mécanique quantique indique que tant que la boîte n'est pas ouverte, on peut considérer que l'atome est simultanément dans deux états : il est à la fois intact  et désintégré. Par extension, tant que l'observation de l'état du chat n'est pas faite, le chat est simultanément mort et vivant. Ce n'est qu'à l'ouverture de la boîte que s'effectue le choix entre les deux états. Du coup, on ne peut absolument pas dire si le chat est mort ou non avant d'ouvrir la boîte.
Ce qui semble être une lapalissade est en fait un principe vérifié à l'échelle microscopique : un « objet » peut simultanément être dans plusieurs états (mort et vivant, dans un lieu de l'espace et dans un autre etc.). C'est ce que la mécanique quantique appelle le principe de superposition.
En somme, la mécanique quantique prétend que notre monde n'est pas un monde  de "ou" ( : je suis ici ou là, je suis mort ou vivant) mais un monde de "et"(je suis ici et là, je suis mort et vivant). Ces principes sont admis et utilisés pour l'étude de l'infiniment petit comme pour celui de l'infiniment grand, il n'y a qu'à notre échelle qu'ils sont difficilement observables. Ce qui ne signifie pas qu'ils ne s'y appliquent pas...

> Quel rapport avec un ordinateur ?

Pour comprendre les applications de la mécanique quantique aux ordinateurs, il faut bien comprendre comment fonctionnent nos ordinateurs actuels... et faire un peu de visualisation. Vous souvenez-vous dans Matrix, les chiffres verts sur fond noir qui défilaient et qui symbolisaient les calculs d'un ordinateur ? C'est bon vous l'avez ?  Bien gardez cette image en mémoire.
L'ordinateur actuel effectue des calculs en traitant des informations dont l'unité de base est codée soit sous la forme d'un 0 soit sous la forme d'un  1. Ce sont les bits : l'unité de mesure de la quantité d'information actuelle qui constitue le langage dit "binaire" . C'est pourquoi on représente un ordinateur en plein travail aujourd'hui par le défilement continu de  0 et de 1.

La révolution que propose la mécanique quantique appliquée à l'ordinateur est de remplacer les bits par des Qubits, qui peuvent prendre un ensemble de valeurs beaucoup plus large. En effet, comme la physique quantique s'appuie sur le principe de superposition, son Qubit peut prendre non seulement les valeurs 0 ou 1, mais aussi toutes les autres combinaisons de 0 et de 1, dont les valeurs 0 et 1 en même temps...

La conséquence de ce changement est qu'un ordinateur quantique pourra effectuer beaucoup plus rapidement les calculs qui lui seront demandés puisqu'il permettra de traiter non pas toutes les combinaisons d'états successivement mais simultanément.

Mais ne rêvons pas, ce type d'ordinateur a quand même peu de chance de se retrouver sur notre bureau demain matin. même si certains chercheurs y croient pour... 2020 ! L'état d'avancement actuel des recherches dans ce domaine en est au tout début. A ce jour, la technologie nécessaire à la fabrication d'un ordinateur quantique existe mais le nombre de contraintes reste encore important.
Toutefois la recherche avance très rapidement dans ce domaine. Et fin 2009, une équipe française (cocorico) dévoile un système de lecture haute fidélité de l'état des Qubits. Une avancée majeure dans le développement de l'ordinateur quantique. Cette découverte vient s'ajouter à toutes celles déjà réalisées par les nombreuses équipes qui travaillent sur le sujet dans le monde entier et qui permettrons un jour la fabrication d'un ordinateur quantique fiable.
Il faudra évidemment trouver des algorithmes adaptés à ces nouveaux calculateurs afin de profiter de leurs capacités... Matrix ce n'est pas pour demain et c'est tant mieux. Mais après-demain ?

F.B & H.C

> Bonus quantiques (pour se décontracter les neurones)
> La physique quantique "expliquée" par Alexandre Astier (Kaamelot)


> Et aussi : l'excellente série télévisée américaine Big Bang Theory, une sorte de Friends dont les héros sont des physiciens quantiques... >> voir la bande annonce

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