L’auteure de cet article sera présente au Forum du CNRS 2017 dont The Conversation France est partenaire. Elle interviendra le samedi 25 novembre après-midi à la Cité internationale universitaire de Paris.
Le hasard en physique classique surgit lorsque le résultat d’une expérience ne peut être prédit avec certitude : sur quelle face tombera le dé ? Quel temps fera-t-il à Paris l’année prochaine ? Le hasard rend compte de façon effective du fait que nous ne disposons pas de toute l’information sur une situation physique complexe. Il nous permet de conserver une capacité prédictive, portant sur des statistiques (ainsi, ce dé a une chance sur six de tomber sur le « 1 »).
Le hasard apparaît aussi dans une autre branche célèbre de la physique : la mécanique quantique, qui vise à étudier à l’aide d’appareils de mesure macroscopiques des objets invisibles à l’œil nu. Du fait de leur petite taille, ces objets se trouvent dans des états extrêmement fragiles, qui sont violemment perturbés par l’appareil de mesure. On peut le comprendre, en réalisant que pour mesurer la position de cette table, je me sers de la lumière qu’elle renvoie. Or la lumière est constituée de grains, les photons. Imaginons maintenant que la table devienne microscopique : dans ce cas, le choc avec un seul photon va communiquer une vitesse à la micro-table, perturbant de façon aléatoire sa position et la rendant imprédictible.
De cet exemple idéalisé, on comprend que le hasard qui se manifeste à l’échelle quantique est d’une tout autre nature que le hasard classique. Aucune information supplémentaire ne peut l’éliminer, car il vient de l’opération de mesure même. On peut parler de hasard ontologique (fondamental, essentiel), par opposition au hasard classique, qui est épistémique (dû à l’ignorance).
Interférences et superpositions quantiques
Le hasard quantique est régi par des lois spécifiques très différentes de celles qui gouvernent le hasard classique. Rappelons dans un premier temps comment on traite le hasard classique, et prenons l’exemple d’une balle se trouvant dans une boîte fermée. Cette balle a 50 % de chances d’être noire (respectivement blanche). Elle a aussi 50 % de chances d’être en bois (resp. en métal). Lorsque je sors la balle de la boîte, j’ai au total 25 % de chances que la balle soit noire, et en métal.
Considérons maintenant un exemple issu du monde quantique, à savoir un photon unique polarisé. Comme évoqué ci-dessus, un photon est un grain de lumière, caractérisé non seulement par une couleur, mais aussi par une « direction de polarisation ». Cette direction de polarisation est représentée par une flèche, qui peut être horizontale H (resp. verticale V), ou bien diagonale D (resp. antidiagonale A). H, V, A, D sont ainsi des états quantiques possibles pour notre objet microscopique photon.
Si je mesure maintenant le photon, je constate qu’un photon A a 50 % d’être H ou V, tandis qu’un photon H a 50 % de chances d’être A ou D. En suivant le raisonnement classique, je trouve qu’un photon A a 50 % de chances… d’être mesuré dans l’état A ! Or un photon A a bien 100 % de chances d’être A (et 0 % d’être D). Ce phénomène est appelé interférence quantique. Il est dû au fait qu’un photon H n’est pas « soit A soit D », mais bien simultanément « A et D », en d’autres termes, dans une superposition quantique de A et D.
Technologies quantiques
Le phénomène de superposition quantique est particulièrement intéressant pour réaliser des processeurs quantiques. Un ordinateur effectue des calculs en traitant des bits d’information, un bit d’information étant une unité d’information ultime, codée sur 0 ou 1. Dans un ordinateur classique, les bits sont soit dans l’état 0, soit dans l’état 1. Dans un ordinateur quantique, l’information peut être encodée sur des « bits quantiques », pouvant eux-mêmes se trouver dans des états de superpositions « 0 et 1 ». Ces superpositions permettent en particulier d’effectuer des calculs plus efficaces (requérant moins d’étapes) que dans le monde classique.
Le hasard quantique permet également de rendre plus sûre la communication de données secrètes. Comme mentionné ci-dessus, la mesure perturbe l’état des systèmes quantiques, ce qui rend détectable la présence d’espions et constitue la base de la cryptographie quantique.
Ces promesses technologiques sont au cœur de la « deuxième révolution quantique », qui exploite les caractéristiques les plus contre-intuitives de la mécanique quantique telles que les superpositions et le hasard quantiques pour révolutionner les technologies de l’information. La deuxième révolution quantique fait actuellement l’objet d’importants investissements, tant de la part des États que d’entreprises majeures.
Alexia Auffèves, Directeur de recherche CNRS, Physique quantique, Institut Néel, CNRS/UGA, Université Grenoble Alpes
La version originale de cet article a été publiée sur The Conversation.
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