Vous vous demandez quelle est cette curieuse image ? Il s'agit d'une paire de photons intriqués ! En 2019, des chercheurs de l'école de physique et d'astronomie de l'Université de Glasgow sont parvenus pour la première fois à capturer ce mécanisme surprenant de la physique quantique que vous allez découvrir dans cet article.
En un coup d'œil
En 1900, Max Planck découvrit que l'énergie ne se propage pas de façon continue mais en petits paquets discrets appelés quanta : une hypothèse qui allait bouleverser toute la physique du XXe siècle.
La superposition et l'intrication révèlent un monde subatomique radicalement différent de celui que nos sens perçoivent, où une particule peut exister dans plusieurs états à la fois et où deux particules séparées par des milliers de kilomètres demeurent liées.
La mécanique quantique reste, à ce jour, la théorie physique la plus précise jamais élaborée, tout en posant des questions fondamentales encore ouvertes sur la nature même de la réalité.
En 1801, le physicien Thomas Young plongea ses contemporains dans la perplexité. Il projeta un faisceau de lumière à travers deux fentes parallèles percées dans un écran, et observa derrière ce dernier non pas deux bandes lumineuses, comme l'aurait prédit la physique newtonienne, mais des dizaines de franges alternées claires et sombres, identiques à celles produites par des vagues d'eau qui se croisent. La lumière, pensait-on depuis Newton, était faite de corpuscules. Pourtant, elle se comportait comme une onde. Cette expérience dite « des deux fentes », renouvelée depuis avec des électrons et même des atomes entiers, reste l'une des plus troublantes de toute l'histoire des sciences. Elle révélait l'existence d'une échelle de mesure où les règles habituelles cessaient de s'appliquer.
De la catastrophe ultraviolette aux fondations d'une science nouvelle
Tout commença avec un problème apparemment anodin. À la fin du XIXe siècle, les physiciens cherchaient à expliquer le rayonnement émis par les corps chauds. Les équations classiques prévoyaient que l'intensité du rayonnement augmentait indéfiniment avec la fréquence, aboutissant à une quantité d'énergie infinie dans les hautes fréquences : c'était ce que les physiciens appelaient, avec une certaine ironie, « la catastrophe ultraviolette ». En décembre 1900, Max Planck résolut le problème en posant une hypothèse : l'énergie n'est pas émise de façon continue, mais sous forme de petits paquets insécables, qu'il appela des quanta. Chaque quantum d'énergie est proportionnel à la fréquence de la radiation, selon la relation E = hν, où h est la constante de Planck. Il n'y croyait lui-même qu'à moitié : il pensait n'avoir trouvé qu'un artifice mathématique. La suite lui prouva le contraire.
En 1905, Albert Einstein étendit l'idée de Planck en proposant que la lumière elle-même était constituée de quantum d'énergie, l'ancêtre du photon, pour expliquer l'effet photoélectrique. Ce fut l'une des contributions qui lui valut le prix Nobel de physique en 1921. Dans les années qui suivirent, Niels Bohr appliqua la quantification à l'atome en postulant que les électrons n'orbitaient autour du noyau que sur des trajectoires précises, à des énergies bien définies, et qu'ils ne pouvaient passer d'une orbite à une autre qu'en émettant ou en absorbant un photon d'énergie exactement correspondante. Ce modèle expliquait pour la première fois les raies spectrales des éléments chimiques.
En 1924, Louis de Broglie posa quant à lui une question vertigineuse dans sa thèse de doctorat : si la lumière, que l'on croyait ondulatoire, pouvait se comporter comme des corpuscules, alors les corpuscules comme les électrons ne pouvaient-ils pas se comporter comme des ondes ? Sa relation λ = h/p associa une longueur d'onde à toute particule matérielle en mouvement. Trois ans plus tard, l'expérience de Davisson et Germer confirma cette hypothèse en observant la diffraction des électrons sur un cristal de nickel. La dualité onde-corpuscule entrait dans les faits. En 1926, Erwin Schrödinger théorisa ce comportement ondulatoire en une équation décrivant l'évolution dans le temps d'une « fonction d'onde » : non plus la trajectoire d'une particule, mais la distribution de probabilité de la trouver ici ou là.
Le saviez-vous ? Werner Heisenberg formula en 1927 le principe d'incertitude qui porte son nom : il est impossible de connaître simultanément avec exactitude la position et la vitesse (ou la quantité de mouvement) d'une particule, dès lors que le seul fait de l'observer modifie son état.
En moins de trente ans, une poignée de physiciens avait construit un nouvel édifice théorique. La mécanique quantique, dont les prédictions s'accordaient avec les mesures expérimentales, restait toutefois déroutante : personne, pas même ses fondateurs, ne s'accordait sur ce qu'elle disait réellement de la nature du réel. À présent, observons de plus près quelques lois surprenantes du monde quantique.
La superposition, l'intrication et le vrai hasard : les piliers déroutants de la quantique
Commençons par la plus surprenante : la superposition ! Dans notre monde macroscopique, un objet possède un état bien défini : une pièce de monnaie est soit pile, soit face ; ou pour un ordinateur, soit 0, soit 1. Dans le monde quantique, une particule peut exister simultanément dans plusieurs états (pile et face, 0 et 1) jusqu'à ce qu'on la mesure. Voici une explication très claire de Landry Bretheau, professeur en physique quantique à l'École polytechnique :
« Imaginez que le calcul, le problème, soit de sortir d'un labyrinthe. Comment s'y prendre ? Un être humain ou un programme informatique va tester différents chemins. À chaque fois, il arrivera à une impasse, puis reviendra sur ses pas. Il testera ainsi tous les chemins jusqu'à ce qu'il sorte du labyrinthe. Mais un système quantique peut être dans une superposition d'états, c'est-à-dire qu'il peut se trouver à plusieurs endroits en même temps. Il peut donc essayer d'explorer les différents chemins en parallèle et sortir du labyrinthe plus rapidement ».
Un autre phénomène intéressant est l'intrication. Lorsque deux particules sont intriquées, elles forment un système indivisible. Modifier l'état de l'une affecte instantanément l'autre, quelle que soit la distance qui les sépare. Ce lien mystérieux, qu'Einstein qualifiait « action fantôme à distance », a été observé sur des distances allant jusqu'à 1 200 kilomètres, un record détenu par le physicien chinois Jian-Wei Pan (2017) : « ils ont lancé en orbite le satellite Micius équipé d'une source d'intrication quantique, grâce à laquelle ils ont pu envoyer des paires de photons jumeaux vers deux bases terrestres distantes de 1 200 kilomètres » a précisé le professeur Nicolas Cerf (Belgique). L'intrication est étonnante parce qu'elle est contre-intuitive : elle démontre qu'à l'échelle quantique, ce n'est pas le principe de « localité » mais de « non-localité » des lois de la nature qui s'applique, comme l'a montré le physicien français Alain Aspect, prix Nobel de physique 2022.
À ne pas manquer : Les conférences d'Alain Aspect, qui ne manque aucune occasion de partager avec le public les avancées de la physique avec une passion contagieuse ! Notre coup de cœur : « Des concepts aux applications : les deux révolutions quantiques » (Espace des sciences, 2024).
Le caractère aléatoire est également étonnant. Contrairement au « faux hasard » (car prévisible) d'un lancer de pièce, en mécanique quantique c'est un « vrai hasard » : celui qui est « intrinsèquement imprévisible » selon le professeur Nicolas Gisin (Genève). Ce n'est pas une limitation des instruments de mesure, mais une propriété liée à la superposition, l'intrication et la non-localité : étant donné qu'il y a plusieurs états à la fois, par exemple vertical et horizontal pour la polarisation d'un photon, les résultats de mesure peuvent ainsi « fixer » un état ou un autre. Philippe Grangier, chercheur au CNRS, a également expliqué l'importance de l'ordre de mesure : habituellement, si l'on mesure la masse d'un objet puis sa couleur, ou sa couleur puis sa masse, les résultats sont similaires. Tel n'est pas le cas en mécanique quantique !
La décohérence, le problème de la mesure et les grandes interprétations
Bien que ces propriétés soient exceptionnelles, les états quantiques sont extrêmement fragiles en raison de la « décohérence » : le système interagit avec son environnement (vibration, champ électromagnétique, lumière, température…) qui modifie son état. Les physiciens développent alors des techniques sophistiquées pour isoler les systèmes : refroidissement à des températures proches du zéro absolu, vide poussé, blindage électromagnétique, etc. La décohérence est précisément l'une des raisons pour lesquelles les phénomènes quantiques ne s'observent pas à l'échelle macroscopique : les interactions permanentes d'un objet de taille ordinaire avec son environnement « effacent » très rapidement toute superposition d'états.
La décohérence touche à la question la plus profonde que pose la mécanique quantique : que se passe-t-il exactement lors d'une mesure ? Avant qu'une particule soit observée, sa fonction d'onde décrit une superposition d'états possibles. Au moment de la mesure, cette superposition « s'effondre » et la particule prend un état défini. Pourquoi, et comment ? Cette question, connue sous le nom de « problème de la mesure », a engendré plusieurs interprétations de la mécanique quantique qui s'accordent toutes avec les résultats expérimentaux mais décrivent des réalités radicalement différentes.
L'interprétation de Copenhague, formulée par Niels Bohr et Werner Heisenberg dans les années 1920, est la plus répandue. Selon elle, la fonction d'onde ne décrit pas une réalité physique indépendante de l'observation : elle décrit seulement les probabilités des résultats de mesure possibles. La question « où était la particule avant la mesure ? » n'aurait tout simplement pas de sens. Einstein n'admettait pas cette réponse et affirma que « Dieu ne joue pas aux dés ». En 1935, avec Boris Podolsky et Nathan Rosen, il formula le paradoxe EPR, tentant de montrer que la mécanique quantique était incomplète et qu'il devait exister des « variables cachées » expliquant le comportement des particules sans faire appel au hasard pur.
Le saviez-vous ? En 1964, le physicien nord-irlandais John Bell trouva un moyen de tester expérimentalement si ces variables cachées existaient. Alain Aspect réalisa l'expérience décisive en 1982 à Orsay : les résultats violèrent clairement les inégalités de Bell, prouvant que la non-localité quantique était bien une propriété fondamentale de la nature. Cette démonstration lui valut le prix Nobel de physique en 2022.
Une autre interprétation, formulée par Hugh Everett en 1957, propose que l'effondrement de la fonction d'onde n'ait jamais lieu : à chaque mesure, l'univers se « diviserait » en autant de branches que de résultats possibles, chaque branche étant également réelle. Cette interprétation, dite « des mondes multiples », est prise au sérieux par une partie des physiciens théoriciens, notamment ceux qui travaillent en cosmologie quantique. Elle a nourri des décennies de réflexion philosophique sur la nature de la réalité et les limites de ce que la science peut affirmer sur ce qui « est » véritablement.
La physique quantique reste ainsi, plus d'un siècle après sa naissance, la théorie la plus surprenante et la plus énigmatique, avec de belles perspectives !
Pour Approfondir
Alain Aspect (conférence), Des concepts aux applications : les deux révolutions quantiques, Espace des sciences, 2024.
Étienne Klein (podcast), La mécanique quantique : une science qui parle de quoi, exactement ?, La Conversation scientifique, France Culture, 2023.
Philippe Grangier, Donner du sens à la mécanique quantique, CNRS Le Journal, 2022.
Serge Haroche (cours), Introduction à la physique quantique, Collège de France, 2023.