L’ordinateur quantique

UNE DRÔLE DE MÉCANIQUE

Un dossier préparé par Jean Fauquet et Clémence Vastine

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Comment ça marche ?

Les bases de la physique quantique

Le principe de l’ordinateur quantique

Au fil du temps

La folle aventure de la physique quantique

La physique classique regroupe plusieurs disciplines : la mécanique, l’électricité, le magnétisme, l’optique, l’acoustique ou encore les phénomènes moléculaires.
La mécanique étudie par exemple le mouvement des objets. L’étude de l’électricité permet notamment de comprendre le fonctionnement des piles. Si on parvient à expliquer comment deux aimants s’attirent, c’est grâce à l’étude du magnétisme. L’optique, quant à elle, étudie les phénomènes liés à la lumière, comme la réflexion sur un miroir. L’acoustique s’intéresse évidemment au son, sa production, sa propagation, etc. Et enfin, au niveau moléculaire, la physique s’intéresse par exemple à l'agencement des molécules pour former les objets.

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En 1801, le britannique Thomas Young réalise l’expérience dite des « fentes de Young ». La lumière est envoyée vers un premier écran percé de deux fentes. Puis, sur un second écran placé derrière, il observe une alternance de bandes lumineuses et sombres. Avec ce résultat, Thomas Young pense détenir la preuve que la lumière est une onde. Mais la réalité est loin d’être aussi tranchée…

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Après les travaux de Max Planck, le développement de la spectroscopie a permis de montrer que chaque élément chimique, comme le carbone, l’oxygène ou encore l’hydrogène, émet de la lumière à des longueurs d’ondes bien précises. De plus, l’étude de l’effet photoélectrique, par Albert Einstein, montre qu’un électron peut être émis en éclairant un métal. Ces deux résultats scientifiques indiquent que l’énergie des photons est quantifiée. Une étape de plus pour poser les bases de la physique quantique.

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Il ne faut pas oublier le physicien danois Niels Bohr, acteur clé dans l'avancée de la recherche sur la physique quantique. En 1913, Niels Bohr s'inspire des expériences d'Albert Einstein et propose son modèle de l'atome, en prenant un atome d’hydrogène. Le physicien propose que les électrons ne peuvent tourner autour du noyau de l’atome que sur certaines orbites précises, et qu’en passant d’une orbite à une autre, ces électrons absorbent ou libèrent des quantités d’énergie bien définies. Merci Niels Bohr !

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Au début du XXème siècle, le physicien Albert Einstein n'est pas convaincu par l’indétermination de la physique quantique. Selon lui,

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La physique quantique a été initiée par de jeunes physiciens européens. Très jeunes. Ils ont tous entre 20 et 30 ans lorsqu'ils étudient de nouveaux concepts de la physique quantique, à l'image de l'Autrichien Wolfgang Pauli, l'Allemand Werner Heisenberg et le Danois Niels Bohr. Ces physiciens étudient et débattent ensemble de la physique quantique et, par leur contribution commune, établissent ses principes fondateurs.

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En 1935, trois physiciens, Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen, proposent une expérience pour tenter de montrer que la mécanique quantique probabiliste n'est pas suffisante pour décrire notre monde. Ils considèrent deux particules préparées en même temps pour former ensemble un état quantique. Ils appellent cet état composé un état intriqué. Mais que se passe-t-il ensuite si l'on sépare les particules ? Une mesure faite sur une des particules a-t-elle des conséquences sur l'autre ? La réponse ne viendra qu’en 1982 avec les expériences d’Alain Aspect.

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De nombreuses expériences sur les états quantiques intriqués d’atomes et de photons piégés dans une boîte ont été développés par le groupe du physicien franco-marocain Serge Haroche, en 2007. Ces recherches lui valent le prix Nobel de physique en 2012.

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Depuis les années 1920, l’intérêt pour les technologies quantiques est de plus en plus important. Ainsi, en 2016, toute la communauté scientifique porte un “Quantum manifesto” auprès de la Commission Européenne pour le lancement d’un programme sur dix ans. Le but est d'accélérer le passage de la seconde révolution quantique vers des applications industrielles.

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Connaissez-vous Quantum Moves ? C'est un jeu vidéo en ligne basé sur les principes de la physique quantique ! Pour gagner, il faut déplacer les atomes quantiques et ainsi compléter des défis qui sont des simulations d'opérations logiques dans un ordinateur quantique. Mais ce n'est pas facile ! Déjà, parce que les atomes sont excités... En 2012, la première version du jeu est testée dans plusieurs lycées au Danemark. On adore aider la communauté scientifique tout en s'amusant !

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Bibliographie

Pour aller plus loin

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Révolutions quantiques – N°66, CEA	http://www.cea.fr/multimedia/Documents/publications/clefs-cea/CLEFS66-FR-FINAL.pdf
La naissance de la physique quantique, Etienne Klein	https://www.youtube.com/watch?v=GytV0CHfx9o
L’histoire du chat de Schrödinger expliquée simplement, Institut Pandore	https://www.institut-pandore.com/physique-quantique/chat-schrodinger-superposition-quantique/
Conférence IPR 30/01/18 : « Puissance et étrangeté de la physique quantique », Serge Haroche	https://www.youtube.com/watch?v=kVTbVG9ttj4
« La physique quantique nous promet un futur étonnant » avec Julien Bobroff, Les Savanturiers, France Inter	https://www.franceinter.fr/emissions/les-savanturiers/les-savanturiers-26-aout-2018
Comment la physique quantique est-elle née ?, Etienne Klein	https://etienneklein.fr/comment-la-physique-quantique-est-elle-nee-16/
Simulating Physics with Computers, Richard P. Feynman	http://doc.cat-v.org/feynman/simulating-physics/simulating-physics-with-computers.pdf

OUVRAGES
	Schrödinger à la plage : La physique quantique dans un transat, Charles Antoine, Dunod, 2018
	La physique quantique : (enfin) expliquée simplement, Vincent Rollet, Institut Pandore, 2014

Un dossier préparé par
Jean Fauquet et Clémence Vastine

Rédacteur en chef
Frédéric Courant

Chef d’édition
Jean Fauquet

Directeur artistique et technique
Pascal Léonard

Administratrice de production
Déborah Goua

Coordination de production
Patrick Berger

Prise de vue et montage
Bertrand Groc
Timothée Coignus
Zelina Picard-Boni

Apprentie journaliste
Clémence Vastine

Voix
Françoise Carrière
Jean-Baptiste Puech

Mixage
Pascal Stevens

Relation presse et partenariat
Camille Léonard
Josselin Aubrée

Graphisme et animations
Christophe Pernoud – BROTHERMAN Productions

Web design
Olivier Hamon – VO Productions
Antoine Chérel – ATALANTA

Gestion réseaux sociaux et intégration
Florent Chevallier

Remerciements

Alain Sacuto – Professeur à l’Université Paris Diderot et chercheur au Laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques du CNRS
Pérola Milman – Directrice de recherches au CNRS, Quantum Information and Technologies (QITE)
Thomas Courdeau – Professeur à l’Université Paris Diderot et chercheur au Laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques au CNRS
Denis Vion – Chercheur du groupe quantronique au CEA
Luc Barbier – Chercheur, assistant du directeur de l’IRAMIS au CEA
Céline Lipari – Responsable éditoriale du site internet www.cea.fr
Oriane Joubé – Chargée de communication web en alternance au CEA
Julien Arlot – Ingénieur en informatique au CEA
Remerciements à toute l’équipe quantronique du CEA

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© L’Esprit Sorcier – Mai 2019