Cent ans de quantique
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Aller plus loinCent ans de physique quantique, et l'essentiel
Cent ans de physique quantique
| Année | Ce qui s'est passé |
|---|---|
| 1900 | Max Planck : l'énergie de la lumière s'échange par paquets |
| 1905 | Albert Einstein : la lumière est faite de grains, les photons (prix Nobel 1921) |
| 1913 | Niels Bohr : les marches d'énergie de l'atome |
| 1924 | Louis de Broglie : l'électron aussi est une onde (prix Nobel 1929) |
| 1925 à 1927 | Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born : la théorie complète, et ses probabilités |
| 1935 | Le paradoxe EPR d'Einstein et de ses collègues ; le chat de Schrödinger |
| 1947 | Le transistor (prix Nobel 1956) |
| 1960 | Le premier laser, à rubis |
| 1964 | John Bell : un test pour la consigne cachée |
| 1982 | Alain Aspect à Orsay : pas de consigne cachée |
| 1994 | Peter Shor : un algorithme quantique qui casserait les codes secrets |
| 1997 | Première téléportation quantique |
| 2017 | Téléportation entre le sol et le satellite Micius, jusqu'à 1 400 km |
| 2022 | Prix Nobel : Alain Aspect, John Clauser, Anton Zeilinger |
| 2025 | Année internationale des sciences et technologies quantiques, pour les cent ans de la théorie ; prix Nobel : John Clarke, Michel Devoret, John Martinis |
Le laser : des photons jumeaux
Un photon qui frôle un atome déjà « monté » sur une marche peut le faire redescendre, et faire naître un jumeau : même couleur, même direction, même rythme. Einstein l'a prévu en 1917 ; c'est l'émission stimulée.Entre deux miroirs, les jumeaux font des allers-retours et se multiplient en avalanche ; un miroir partiel laisse sortir le faisceau. Premier laserDe l'anglais Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation : amplification de la lumière par émission stimulée. : Theodore Maiman, en 1960, avec un cristal de rubis.- lecteur de codes-barres, fibre optique d'Internet, découpe du métal, chirurgie de l'œil, télémètre de chantier ;
- un pointeur rouge de 5 mW envoie environ 16 millions de milliards de photons par seconde : voilà pourquoi on ne voit jamais les grains.
Prudence : un laser, même petit, ne se pointe jamais vers un œil : toute sa lumière se concentre sur la rétine.
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Horloges atomiques, GPS et IRM
La seconde est quantique :
Depuis 1967, la seconde est la durée de 9 192 631 770 oscillations de l'onde émise par l'atome de césium quand il saute entre deux marches d'énergie. Une horloge atomique compte ces oscillations ; les meilleures dérivent de moins d'une seconde en cent millions d'années.
Chaque satellite GPS en embarque. Votre téléphone calcule sa position avec le temps de trajet des signaux : une erreur d'un millionième de seconde décalerait le point d'environ 300 mètres.
L'IRM écoute les noyaux d'hydrogène :
Dans le champ d'un gros aimant, le noyau d'hydrogène de l'eau du corps n'a que deux marches d'énergie, selon son spinUne propriété quantique sans équivalent exact chez nous : le noyau se comporte comme un minuscule aimant, qui ne peut s'orienter que de deux façons dans le champ.. Il absorbe puis réémet des ondes radio de la hauteur exacte de cette marche : l'appareil en déduit une image des tissus. Prix Nobel de médecine 2003.
Et l'aimant de l'IRM est souvent supraconducteur, refroidi à l'hélium liquide vers −269 °C : encore un effet quantique, à l'échelle de tonnes de métal.
Les chiffres à connaître
| Grandeur | Valeur |
|---|---|
| Constante de Planck h | 6,626 070 15 × 10⁻³⁴ J·s, valeur exacte par définition depuis le 20 mai 2019 : c'est elle qui définit le kilogramme |
| Électronvolt | 1 eV = 1,602 × 10⁻¹⁹ joule |
| Énergie d'un photon | E = h × f, soit en eV ≈ 1 240 ÷ longueur d'onde en nm |
| Vitesse de la lumière | 299 792 458 m/s, exacte elle aussi |
| Lumière visible | environ 400 à 750 nm, soit 3,1 à 1,7 eV |
| Silicium | écart de 1,12 eV : photons utiles jusqu'à 1 100 nm |
| Taille d'un atome | environ 0,1 nm, un dix-millionième de millimètre |
| Qubits supraconducteurs | vers 0,01 K, un centième de degré au-dessus du zéro absolu |
Un exemple pour s'en servir : une LED verte de 530 nm émet des photons de 1 240 ÷ 530 ≈ 2,3 eV, soit 2,3 × 1,602 × 10⁻¹⁹ ≈ 3,7 × 10⁻¹⁹ joule chacun.
L'essentiel à retenir
- Photon : la lumière arrive en grains ; la couleur fixe l'énergie de chaque grain, la quantité de lumière fixe leur nombre.
- Électronvolt : l'énergie d'un électron poussé par 1 V ; un photon, en eV, vaut environ 1 240 ÷ sa longueur d'onde en nm.
- Marches : un électron n'a que certaines énergies ; descendre une marche donne un photon d'une couleur précise. Une LED, une marche, une couleur.
- Superposition : l'électron que personne ne mesure mélange plusieurs possibilités, qui se renforcent ou s'annulent ; la mesure force une réponse au hasard.
- Mesure : elle change ce qu'elle mesure. Trois filtres laissent passer plus de lumière que deux.
- Intrication : des résultats liés à distance, sans consigne cachée (Bell, Aspect), et sans message plus rapide que la lumière.
- Téléportation : on transporte un état, l'original est détruit, et 2 bits voyagent par une voie ordinaire.
- Effet tunnel : un électron franchit un isolant mince ; votre clé USB écrit ainsi.
- Ordinateur quantique : puissant pour certains problèmes seulement ; les codes secrets s'y préparent déjà.
- Interprétations : tout le monde calcule pareil, personne ne s'accorde sur le sens. Le quantique utile se mesure, il ne se croit pas.
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