Deux fentes, un électron à la fois

Une plaque percée de deux fentes fines, un écran derrière :

avec des billes de peinture, l'écran montre deux taches, une derrière chaque fente ;
avec des vagues dans une cuve d'eau, les vagues issues des deux fentes se renforcent ici, s'annulent là : des bandes alternées.

Envoyez maintenant des électrons, un par un. Chacun arrive en un point précis, comme une bille. Mais point après point, l'écran dessine... des bandes, comme des vagues.

Envoyez des électrons, un par un.

L'expérience est réelle :
faite électron par électron en 1989 au Japon, par l'équipe d'Akira Tonomura, après des essais pionniers à Bologne dans les années 1970. Elle marche aussi avec des atomes et des molécules entières.

Allumez la lampe espionne, qui révèle par quelle fente passe chaque électron : les bandes disparaissent. Savoir le chemin efface le dessin.

La superposition, sans magie

On entend : « l'électron passe par les deux fentes à la fois ». La formule frappe, mais trompe : on n'a jamais vu de demi-électron. Une image plus juste :

Pour se le représenter :
le nord-est n'est pas « tantôt nord, tantôt est ». C'est une direction à part entière, faite d'un peu de nord et d'un peu d'est. Mais demandez-lui « nord ou est ? » : il doit choisir, une fois sur deux nord, une fois sur deux est, au hasard.

L'état d'un électron est une flèche de ce genre :

« par la fente du haut » et « par la fente du bas » sont deux directions ;
l'électron que personne ne mesure est dans une direction intermédiaire : une superposition. Ses deux parts se renforcent ou s'annulent sur l'écran : ce sont les bandes ;
la mesure pose une question précise, « quelle fente ? », et force une réponse nette, au hasard : la superposition est perdue, et les bandes avec.

Idée reçue :
ce n'est pas la « conscience » de l'observateur qui compte. Un détecteur automatique, sans personne pour le regarder, efface les bandes tout aussi bien.

Le chat de Schrödinger : une moquerie, pas une explication

En 1935, Erwin Schrödinger, l'un des pères de la théorie, imagine un chat enfermé avec un atome radioactif et un flacon de poison : si l'atome se désintègre, le flacon se brise. Tant que la boîte est fermée, faudrait-il dire le chat « mort et vivant à la fois » ?
Schrödinger voulait montrer que c'est absurde : il qualifiait lui-même ce genre de cas de « burlesque ». Son chat est une critique, devenue par ironie l'emblème de ce qu'il dénonçait.

Alors, où s'arrête la superposition ?

Nulle part en théorie, mais elle est fragile : chaque molécule d'air, chaque photon qui touche l'objet emporte un peu d'information sur lui, comme une mesure. C'est la décohérenceLa perte de la superposition par contact avec le monde extérieur. Plus l'objet est gros et chaud, plus il est touché, plus elle va vite : pour un chat, en un temps bien trop court pour être mesuré..

1999 : des molécules de 60 atomes de carbone, en forme de ballon de football ;
2019 : des molécules de 2 000 atomes ;
2026 : des amas de 5 000 à 10 000 atomes de sodium, larges de 8 millionièmes de millimètre, annoncés par la même équipe de Vienne.

À retenir : le quantique ne s'arrête pas à une taille. C'est le monde extérieur qui efface la superposition, d'autant plus vite que l'objet est gros et chaud.

Serge Haroche, prix Nobel 2012 pour ses méthodes d'observation de particules une à une, a justement suivi cette perte de superposition sur des photons piégés entre deux miroirs. Et une entreprise française, Alice & Bob, fabrique des qubits baptisés « chats » : chapitre 7.