La mécanique quantique est étrange. La théorie, qui décrit le fonctionnement de minuscules particules et forces, rendait Albert Einstein si inquiet qu’en 1935, lui et ses collègues affirmaient qu’elle devait être incomplète - elle était trop «effrayante» pour être réelle.
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Le problème est que la physique quantique semble défier les notions de causalité, de localité et de réalisme du sens commun. Par exemple, vous savez que la lune existe même lorsque vous ne la regardez pas - c'est du réalisme. La causalité nous dit que si vous actionnez un interrupteur, l'ampoule s'allumera. Et grâce à une limitation stricte de la vitesse de la lumière, si vous appuyez à présent sur un commutateur, l'effet associé ne pourrait pas se produire instantanément, à un million d'années-lumière de distance, selon la localité. Cependant, ces principes s'effondrent dans le domaine quantique. L'exemple le plus célèbre est peut-être l'intrication quantique, qui indique que des particules situées de part et d'autre de l'univers peuvent être intrinsèquement liées afin de partager instantanément des informations, une idée qui a fait railler Einstein.
Mais en 1964, le physicien John Stewart Bell a prouvé que la physique quantique était en réalité une théorie complète et exploitable. Ses résultats, maintenant appelés Théorème de Bell, ont efficacement prouvé que les propriétés quantiques telles que l'enchevêtrement sont aussi réelles que la lune. Aujourd'hui, les comportements bizarres des systèmes quantiques sont exploités pour être utilisés dans diverses applications du monde réel. Voici cinq des plus intrigants:
Une horloge à strontium, dévoilée par le NIST et JILA en janvier, indiquera l'heure exacte des 5 milliards d'années à venir. (Le groupe Ye et Brad Baxley, JILA) Horloges ultra précises
Un chronométrage fiable ne se limite pas à l’alarme matinale. Les horloges synchronisent notre monde technologique en maintenant en ligne des choses comme les marchés boursiers et les systèmes GPS. Les horloges standard utilisent les oscillations régulières d'objets physiques tels que des pendules ou des cristaux de quartz pour produire leurs "ticks" et leurs "tocks". Aujourd'hui, les horloges atomiques les plus précises au monde peuvent utiliser les principes de la théorie quantique pour mesurer le temps. Ils surveillent la fréquence de rayonnement spécifique nécessaire pour faire sauter les électrons entre les niveaux d'énergie. L'horloge à logique quantique du NIST (Institut national américain des normes et de la technologie) au Colorado ne perd ou ne gagne qu'une seconde tous les 3, 7 milliards d'années. Et l'horloge à strontium du NIST, dévoilée plus tôt cette année, sera aussi précise pendant 5 milliards d'années, soit plus longtemps que l'âge actuel de la Terre. Ces horloges atomiques super-sensibles aident à la navigation GPS, aux télécommunications et à l'arpentage.
La précision des horloges atomiques repose en partie sur le nombre d'atomes utilisés. Conservé dans une chambre à vide, chaque atome mesure indépendamment le temps et surveille les différences locales aléatoires entre lui et ses voisins. Si les scientifiques entassent 100 fois plus d'atomes dans une horloge atomique, celle-ci devient 10 fois plus précise - mais le nombre d'atomes que vous pouvez insérer est limité. Le prochain grand objectif des chercheurs est d'utiliser avec succès l'enchevêtrement pour améliorer la précision. Les atomes enchevêtrés ne seraient pas préoccupés par les différences locales mais ne mesureraient que le passage du temps, en les réunissant efficacement sous la forme d'un pendule unique. Cela signifie que ajouter 100 fois plus d'atomes dans une horloge enchevêtrée le rendrait 100 fois plus précise. Les horloges enchevêtrées pourraient même être liées pour former un réseau mondial permettant de mesurer le temps indépendamment du lieu.
Les observateurs auront du mal à pirater la correspondance quantique. (VOLKER STEGER / Science Photo Library / Corbis) Codes inviolables
La cryptographie traditionnelle fonctionne à l'aide de clés: un expéditeur utilise une clé pour coder les informations et un destinataire utilise une autre pour décoder le message. Cependant, il est difficile d'éliminer le risque d'une oreille indiscrète et les clés peuvent être compromises. Ce problème peut être résolu à l'aide d'une distribution de clé quantique (QKD) potentiellement indestructible. Dans QKD, les informations sur la clé sont envoyées via des photons polarisés aléatoirement. Cela limite le photon de sorte qu'il ne vibre que dans un seul plan, par exemple de haut en bas ou de gauche à droite. Le destinataire peut utiliser des filtres polarisés pour déchiffrer la clé, puis utiliser un algorithme choisi pour chiffrer un message en toute sécurité. Les données secrètes sont toujours envoyées via les canaux de communication normaux, mais personne ne peut décoder le message sans disposer de la clé quantique exacte. C'est délicat, car les règles quantiques dictent que la "lecture" des photons polarisés changera toujours d'état, et toute tentative d'espionnage alertera les communicateurs d'une atteinte à la sécurité.
Aujourd'hui, des entreprises telles que BBN Technologies, Toshiba et ID Quantique utilisent QKD pour concevoir des réseaux ultra-sécurisés. En 2007, la Suisse a testé un produit ID Quantique afin de fournir un système de vote inviolable lors d'une élection. Et le premier virement bancaire utilisant un QKD enchevêtré a eu lieu en Autriche en 2004. Ce système promet d’être hautement sécurisé, car si les photons étaient enchevêtrés, toute modification apportée à leur état quantique par des entrelacs serait immédiatement évidente pour quiconque surveillant la clé les particules. Mais ce système ne fonctionne pas encore sur de grandes distances. Jusqu'à présent, les photons enchevêtrés ont été transmis sur une distance maximale d'environ 88 miles.
Gros plan d'une puce informatique D-Wave One. (D-Wave Systems, Inc.) Ordinateurs super puissants
Un ordinateur standard code les informations sous forme de chaîne de chiffres binaires, ou bits. Les ordinateurs quantiques surchargent en puissance de traitement car ils utilisent des bits quantiques, ou qubits, qui existent dans une superposition d'états; jusqu'à ce qu'ils soient mesurés, les qubits peuvent être à la fois "1" et "0".
Ce domaine est encore en développement, mais des pas ont été accomplis dans la bonne direction. En 2011, D-Wave Systems a dévoilé le processeur D-Wave One, un processeur à 128 bits, suivi un an plus tard par le processeur D-Wave Two à 512 bits. La société affirme que ce sont les premiers ordinateurs quantiques disponibles dans le commerce. Cependant, cette affirmation a suscité beaucoup de scepticisme, en partie parce qu'il est encore difficile de savoir si les qubits de D-Wave sont emmêlés. Les études publiées en mai ont mis en évidence un enchevêtrement, mais seulement dans un petit sous-ensemble des qubits de l'ordinateur. Il existe également une incertitude quant à savoir si les puces affichent une accélération quantique fiable. Néanmoins, la NASA et Google se sont associés pour former le laboratoire d'intelligence artificielle Quantum basé sur un D-Wave Two. Et les scientifiques de l’Université de Bristol l’an dernier raccordés une de leurs puces quantiques traditionnelles à Internet afin que toute personne disposant d’un navigateur Web puisse apprendre le codage quantique.
Garder un oeil sur l'enchevêtrement. (Ono et al., Arxiv.org) Microscopes améliorés
En février, une équipe de chercheurs de l'Université japonaise d'Hokkaido a développé le premier microscope au monde à amélioration de l'enchevêtrement, utilisant une technique connue sous le nom de microscopie à contraste d'interférence différentielle. Ce type de microscope déclenche deux faisceaux de photons sur une substance et mesure le motif d'interférence créé par les faisceaux réfléchis - le motif change selon qu'ils touchent une surface plane ou inégale. L'utilisation de photons enchevêtrés augmente considérablement la quantité d'informations que le microscope peut collecter, car la mesure d'un photon enchevêtré fournit des informations sur son partenaire.
L’équipe de Hokkaido a réussi à reproduire un «Q» gravé, à seulement 17 nanomètres de l’arrière-plan, avec une netteté sans précédent. Des techniques similaires pourraient être utilisées pour améliorer la résolution d’outils d’astronomie appelés interféromètres, qui superposent différentes vagues de lumière afin de mieux analyser leurs propriétés. Les interféromètres sont utilisés dans la recherche de planètes extrasolaires, pour sonder les étoiles proches et pour rechercher des ondulations dans l’espace-temps appelées ondes gravitationnelles.
Le merle européen peut être un naturel quantique. (Andrew Parkinson / Corbis) Compas biologiques
Les humains ne sont pas les seuls à utiliser la mécanique quantique. Une théorie dominante suggère que des oiseaux comme le merle européen utilisent cette action fantasmagorique pour rester sur la bonne voie lors de leur migration. La méthode implique une protéine sensible à la lumière appelée cryptochrome, qui peut contenir des électrons enchevêtrés. Lorsque les photons pénètrent dans l'œil, ils frappent les molécules de cryptochrome et peuvent délivrer suffisamment d'énergie pour les séparer, formant ainsi deux molécules réactives, ou radicaux, avec des électrons non appariés mais toujours intriqués. Le champ magnétique entourant l'oiseau influence la durée de vie de ces radicaux cryptochromes. On pense que les cellules de la rétine de l'oiseau sont très sensibles à la présence de radicaux enchevêtrés, ce qui permet aux animaux de «voir» efficacement une carte magnétique basée sur les molécules.
Cependant, ce processus n’est pas complètement compris et il existe une autre option: la sensibilité magnétique des oiseaux pourrait être due à la présence de petits cristaux de minéraux magnétiques dans leur bec. Pourtant, si l'enchevêtrement est vraiment en jeu, des expériences suggèrent que cet état délicat doit durer beaucoup plus longtemps dans l'oeil de l'oiseau que dans les meilleurs systèmes artificiels. Le compas magnétique pourrait également être appliqué à certains lézards, crustacés, insectes et même à certains mammifères. Par exemple, une forme de cryptochrome utilisée pour la navigation magnétique chez les mouches a également été trouvée dans l’œil humain, bien que l’on ne sache pas si c’est le cas ou si elle a déjà servi à un but similaire.
