Dans l’univers de la technologie quantique, où les lois de la physique classique cèdent la place à des phénomènes étonnants et à des applications technologiques révolutionnaires. Découvrez comment la recherche en mécanique quantique façonne notre avenir, des capteurs optiques nanométriques aux superordinateurs de demain.
Jennifer Choy, professeure assistante en génie électrique et informatique à l’Université du Wisconsin-Madison, se consacre à l’étude de la détection quantique. Dans une interview récente, elle a discuté des principes des systèmes quantiques et de certaines applications de la mécanique quantique, y compris celles que nous utilisons tous les jours.
Le terme « quantique » est souvent utilisé dans divers domaines pour décrire des phénomènes se produisant à une échelle très petite. Mais que signifie exactement « quantique » ?
Selon Jennifer Choy, le quantique fait référence à l’unité la plus fondamentale de quelque chose.
Dans de nombreuses applications, « quantique » désigne des phénomènes ou des systèmes physiques dont les échelles de longueur sont si petites qu’on ne peut pas décrire leurs caractéristiques avec la physique classique.
La façon la plus accessible de comprendre le comportement quantique est d’examiner l’atome lui-même. Un atome excité (comme celui dans un tube à gaz qui est chauffé) émettra de la lumière qui est quantifiée (exprimée en valeurs discrètes) en termes d’énergie. Chaque atome individuel, selon l’espèce, a une échelle de longueur de l’ordre d’un angström (un cent-millionième de centimètre).
À cette échelle, on peut décrire un atome à la fois comme une particule – comme sa propre quantité – mais aussi comme une onde.
Les applications de la mécanique quantique
La recherche en mécanique quantique peut bénéficier à d’autres domaines, comme la détection quantique. Selon Choy, ce qui l’excite le plus dans la mécanique quantique, c’est la possibilité d’apporter de nouvelles fonctionnalités aux technologies existantes. Dans le cas de la détection et de la métrologie (la science de la mesure), les technologies quantiques nous permettent de faire des mesures de manière beaucoup plus précise et exacte.
Une de ces technologies quantiques est l’horloge atomique. Le fonctionnement de notre monde repose actuellement sur l’utilisation des atomes pour garder le temps. Les horloges atomiques mesurent la fréquence de résonance quantifiée des atomes, souvent en utilisant l’élément césium, pour garder le temps avec un très haut degré de précision.
Il y a 24 satellites GPS en orbite autour de la Terre, et chacun d’eux est équipé d’une horloge atomique. Lorsque nous recevons des signaux de ces satellites GPS, ils contiennent des informations de position, ainsi qu’une horodatation. Chacune de ces horodatations contient des données provenant de la mesure des atomes dans les horloges atomiques. Cela nous permet de déterminer très précisément la position, avec un très faible degré d’incertitude.
L’informatique quantique
L’informatique quantique est un autre domaine de recherche quantique qui suscite beaucoup d’intérêt. L’informatique quantique tire parti de la nature quantique des dispositifs à très petite échelle, et de la capacité à contrôler et à mesurer les états des systèmes quantiques, pour créer des équivalents quantiques aux bits classiques comme 0 et 1.
L’état d’un système quantique – par exemple, s’il est 0 ou 1 – est décrit de manière probabiliste jusqu’à ce qu’il soit mesuré. Cela permet l’utilisation de la superposition, l’idée qu’un système quantique occupe d’une manière probabiliste plusieurs états à la fois jusqu’à ce qu’il soit mesuré.
De plus, il est également possible de générer des corrélations dans les mesures de plusieurs systèmes quantiques grâce à un phénomène quantique unique appelé enchevêtrement. Ce phénomène se produit lorsque, pour une paire de particules quantiques, la mesure de l’une détermine le résultat de la mesure de l’autre, même si les particules sont séparées.
Ainsi, dans l’informatique quantique, ces analogues de bits quantiques, appelés «qubits», peuvent avoir les propriétés d’être superposés 0 et 1, et les états des qubits corrélés.
En synthèse
La technologie quantique, bien que complexe, offre un potentiel énorme pour transformer notre monde. Que ce soit par l’amélioration de la précision de nos mesures, la création de superordinateurs ou l’exploration de nouvelles frontières en neurosciences et en biologie, la mécanique quantique est au cœur de nombreuses avancées technologiques.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la mécanique quantique ?
La mécanique quantique est une branche de la physique qui traite des phénomènes à une échelle extrêmement petite, comme celle des atomes et des particules subatomiques.
Qu’est-ce que la détection quantique ?
La détection quantique est un domaine de recherche qui utilise les principes de la mécanique quantique pour développer des capteurs ultra-sensibles.
Qu’est-ce qu’une horloge atomique ?
Une horloge atomique est un type d’horloge qui utilise les vibrations d’atomes pour mesurer le temps avec une précision extrême.
Qu’est-ce que l’informatique quantique ?
L’informatique quantique est un domaine de recherche qui utilise les principes de la mécanique quantique pour développer des ordinateurs capables de résoudre des problèmes que les ordinateurs classiques ne peuvent pas résoudre.
Qu’est-ce que l’enchevêtrement quantique ?
L’enchevêtrement quantique est un phénomène où deux particules deviennent liées de telle manière que l’état de l’une affecte instantanément l’état de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare.
Références
Légende de l’image : Jennifer Choy, professeur adjoint d’ingénierie électrique et informatique, mène des recherches sur les technologies de détection quantique. Ses travaux portent notamment sur l’utilisation de diamants pour créer des capteurs ultrasensibles. Crédit : Sabrina Wu.
Article adapté de l’interview de Jennifer Choy, professeure assistante en génie électrique et informatique, spécialiste de la détection quantique.
