La technologie quantique est actuellement l’un des domaines de recherche des plus passionnants, car elle nous permet de faire d’énormes avancées dans des domaines tels que la communication, la technique de mesure ou l’informatique. Mais quelles sont les bases techniques sur lesquelles reposent les ordinateurs ou les capteurs quantiques ? Comment la théorie de la physique quantique se traduit-elle dans les applications pratiques ?
Qu’est-ce que la technologie quantique ?
La technologie quantique est une partie très théorique de la physique, basée sur la mécanique quantique. Il s’agit d’une théorie physique dans laquelle les chercheurs tentent de décrire les propriétés et les lois des états et des processus de la matière. La particularité de cette théorie est que ces calculs ont lieu à l’échelle de l’atome, voire en dessous. La mécanique quantique est également à la base des phénomènes physiques atomiques.
Elle s’applique fondamentalement aux objets. La question est de savoir comment ces objets se déplacent sous l’effet de forces et si l’on peut également calculer d’éventuels états futurs. Cependant, ces calculs se heurtent rapidement à des principes qui contredisent les principes physiques traditionnels. C’est pour cette raison qu’elle est considérée comme particulièrement complexe et difficile à comprendre. Les applications actuelles de la technologie quantique se trouvent toutefois aussi dans des domaines purement numériques, comme la cryptographie.
Comment tout a commencé ?
Les débuts de la mécanique quantique se situent entre 1925 et 1932, avec les découvertes de Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born et d’autres. Elles s’appuient sur une « physique quantique plus ancienne » sur laquelle Albert Einstein, Max Planck ou encore Niels Bohr avaient déjà travaillé. À cette époque, tout tournait autour de la question de savoir comment décrire l’état des atomes.
Des jalons particuliers ont été posés :
- La mécanique ondulatoire (Louis de Broglie)
- Mécanique des matrices (Werner Heisenberg, Max Born, Pascual Jordan)
- Équation de Schrödinger (Erwin Schrödinger)
- Relation d’incertitude (Werner Heisenberg)
Même si la plupart des gens ne pourraient pas expliquer ces principes physiques, ou seulement de manière schématique, leurs noms ou des expressions courantes comme « le chat de Schrödinger », sont connus des profanes. C’est ainsi que la physique quantique a ouvert un nouvel âge d’or dans la recherche physique, sur lequel on continue de travailler inlassablement jusqu’à aujourd’hui. Entre-temps, de nouveaux domaines de recherche ont vu le jour, comme la théorie quantique des champs ou l’électrodynamique quantique.
Comment fonctionne la mécanique quantique ?
Pour expliquer en détail la mécanique quantique, il faudrait probablement un livre entier. C’est pourquoi nous n’aborderons ici que les points les plus importants :
- Objets quantiques, fonction d’onde et dualité onde-particule : la fonction d’onde est utilisée pour calculer le comportement d’une particule. En principe, le comportement des particules et celui des ondes peuvent être considérés indépendamment l’un de l’autre.
- Superposition : il est possible qu’un objet quantique existe dans plusieurs états à la fois, ce que l’on appelle la superposition.
- Enchevêtrement : deux ou plusieurs objets peuvent être liés de telle sorte qu’ils s’influencent mutuellement, même à grande distance.
- Sauts quantiques et principe d’incertitude : lorsqu’un électron dans un atome passe (saute) d’un état à un autre sans étape intermédiaire, on appelle cela un saut quantique.
- Principe d’incertitude d’Heisenberg : plus nous voulons mesurer avec précision l’emplacement d’une particule, plus celui-ci devient flou. C’est pourquoi les calculs donnent uniquement des probabilités et non des certitudes.
La technologie quantique appliquée : l’exemple des capteurs quantiques
Mais comment cette recherche fondamentale permet-elle de développer de nouveaux produits qui peuvent également être utilisés dans l’industrie ? En effet, une technologie n’est véritablement établie que lorsque la recherche fondamentale théorique peut également être transposée dans des applications et des produits pratiques, et qu’elle apporte ainsi des avantages significatifs par rapport à d’autres technologies déjà établies. Nous nous penchons ici sur cette question en prenant l’exemple de la technologie des capteurs quantiques : que signifient les principes de la physique quantique décrits ci-dessus pour l’utilisation dans la technologie des capteurs ? Quels sont les avantages des capteurs quantiques par rapport aux appareils de mesure traditionnels, et que signifient-ils pour l’industrie et la recherche ?
Fonction d’onde
La fonction d’onde est centrale, car elle est à la base de la description et de la prédiction des phénomènes quantiques. Dans le domaine des capteurs quantiques, il est important de pouvoir contrôler et manipuler la fonction d’onde d’un système afin d’effectuer des mesures précises. Les amplitudes de probabilité au sein de la fonction d’onde fournissent des informations sur la probabilité de trouver une particule à un endroit donné ou dans un état donné. Ces informations sont essentielles pour étalonner la sensibilité des capteurs quantiques et déterminer les conditions de mesure optimales.
Superposition
Un système quantique dans un état de superposition peut réagir de manière très sensible aux influences extérieures telles que les champs magnétiques, les champs électriques ou les changements de température. En contrôlant et en mesurant précisément cette superposition, il est possible de déterminer précisément ces influences extérieures. L’utilisation de centres de défauts d’azote dans les diamants, qui servent de capteurs de champs magnétiques très sensibles, en est un exemple.
De cette manière, il est possible d’effectuer des mesures très sensibles qui ne seraient pas faisables avec des capteurs traditionnels. Les magnétomètres quantiques, par exemple, peuvent mesurer des champs magnétiques extrêmement faibles, tels que ceux générés par l’activité électrique dans le cerveau ou le cœur. Ils permettent ainsi d’établir des diagnostics plus précis et non invasifs par magnétoencéphalographie (MEG) ou magnétocardiographie (MCG).
Enchevêtrement
L’enchevêtrement est un autre mécanisme clé dans le domaine des capteurs quantiques. En cas d’enchevêtrement, l’état d’une particule reste corrélé à celui d’une autre, même si elles sont très éloignées l’une de l’autre. Cette propriété est utilisée pour effectuer des mesures extrêmement sensibles. Les états enchevêtrés améliorent la précision et la sensibilité des capteurs, car ils peuvent réduire le bruit quantique et rendre ainsi les mesures plus précises.
Cela est particulièrement utile dans les interféromètres à faible bruit quantique, utilisés par exemple en gravimétrie pour les mesures dans le champ de gravité de la Terre. Ces appareils peuvent détecter les plus petits changements, ce qui aide à la recherche de gisements de pétrole, de gaz ou de minéraux, ou à la surveillance des volcans, et permet ainsi de faire des prévisions encore plus précises.
Principe d’incertitude
Le principe d’incertitude d’Heisenberg fixe une limite à la précision avec laquelle certaines mesures peuvent être effectuées simultanément. Dans le domaine des capteurs quantiques, les chercheurs essaient de comprendre ces limites et d’optimiser les résultats de mesure en développant des stratégies de mesure qui minimisent le bruit quantique et maximisent la précision. En ce sens, le principe d’incertitude offre une limite sur laquelle les chercheurs peuvent s’appuyer et qui les incite à innover sans cesse pour obtenir des mesures encore plus précises.
Des produits adaptés à l’industrie
Comme on le voit, les avantages particuliers des instruments de mesure quantiques sont nombreux. Mais existe-t-il déjà des produits qui peuvent être utilisés dans l’industrie ? La réponse est oui ! Les premiers produits qui ont atteint une maturité commerciale et qui associent les avantages de la technologie des capteurs quantiques à des produits adaptés à l’industrie sont disponibles sur le marché. Le magnétomètre quantique de Quantum Technologies en est un bel exemple. Ce capteur particulièrement fin offre non seulement la possibilité de réaliser des mesures à l’échelle nanométrique, mais il est également suffisamment compact et robuste pour être utilisé dans des environnements complexes, tels que les véhicules électriques, les installations solaires et éoliennes ou les usines intelligentes.La technologie quantique en action aujourd’hui
Elle améliore déjà notre recherche, notre développement et notre production dans de nombreux domaines, comme celui des capteurs.
La microscopie à effet tunnel à balayage (effet tunnel)
La microscopie à effet tunnel à balayage consiste à étudier la structure de surface des matériaux au niveau atomique. Pour ce faire, elle utilise l’effet tunnel, un phénomène central de la mécanique quantique. L’effet tunnel se produit de la manière suivante : lorsqu’une pointe métallique extrêmement pointue (le « cône d’encliquetage ») est placée très près d’une surface conductrice (à une distance inférieure à 1 nanomètre), les électrons peuvent « passer en tunnel » à travers le minuscule interstice, même si le passage direct était bloqué par une barrière énergétique. Cet effet tunnel génère un courant électrique mesurable, appelé courant tunnel. Ce courant tunnel dépend fortement de la distance entre la pointe et la surface. Une modification de la distance de seulement quelques picomètres (billionièmes de mètre) entraîne une modification significative du courant tunnel. Cela permet de cartographier la structure atomique de la surface avec une grande précision.
La microscopie à effet tunnel à balayage peut donc être utilisée pour examiner les semi-conducteurs, les métaux ou les nanomatériaux à la recherche des plus petites irrégularités et offre ainsi de nouvelles possibilités en microélectronique.
Mémoire flash (effet tunnel)
La mémoire flash est un type de mémoire non volatile utilisé dans de nombreux appareils tels que les clés USB, les disques SSD et les cartes mémoire. L’effet tunnel joue un rôle crucial dans le stockage et l’effacement des données. Une mémoire est composée de millions de transistors qui contiennent une couche isolée (la « grille flottante »). Des électrons peuvent être stockés sur cette grille flottante. Pour stocker des données, on applique une haute tension qui fait « tunnéliser » les électrons à travers une fine couche isolante (oxyde) vers la grille flottante. Les électrons restent alors stockés, car ils sont enfermés dans la couche d’oxyde, même lorsque la tension est coupée. Lors de l’effacement des données, la tension est inversée. Les électrons traversent alors à nouveau la couche d’oxyde et la grille flottante est déchargée.Les mémoires flash sont particulièrement durables et fiables, car l’effet isolant de la grille flottante revalorise les électrons stockés pendant une longue période. De plus, elles consomment peu d’énergie, car aucune énergie n’est nécessaire pour conserver les données une fois le stockage effectué. Comme les mémoires flash offrent une grande capacité de stockage dans un espace réduit, elles sont également très compactes et conviennent donc également aux petits appareils comme les smartphones, aux véhicules intelligents ou autres appareils de l’Internet des objets (IoT).
L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est déjà très répandue en médecine.
L’IRM est déjà très répandue en médecine. Cette méthode d’imagerie fournit des images détaillées de l’intérieur du corps en utilisant des principes physiques tels que des champs magnétiques puissants et des ondes de radiofréquence. Contexte : de nombreux atomes du corps, en particulier les noyaux d’hydrogène (protons) dans les molécules d’eau, possèdent une propriété appelée spin, une sorte de moment angulaire de la mécanique quantique. Un aimant puissant dans l’appareil IRM aligne les noyaux d’hydrogène (protons) dans le corps, qui se comportent comme de petits aimants. Une brève impulsion fait dévier les protons de leur alignement et les fait basculer dans une superposition. Ils se mettent alors en mouvement et émettent de faibles signaux radio. Ils reviennent ensuite à leur position initiale. Ce faisant, ils émettent de l’énergie, qui est mesurée par des capteurs. Comme les différents types de tissus produisent des signaux différents, un contraste est détecté et assemblé en une image.
L’imagerie IRM peut non seulement représenter les différentes couches de tissus de manière particulièrement précise, mais elle ne nécessite pas non plus de rayonnement, contrairement aux appareils à rayons X et aux scanners.
Condensat de Bose-Einstein (sonde spatiale MAIUS 1)
Un condensat de Bose-Einstein (BEC) est un état particulier de la matière qui se produit lorsque les atomes sont refroidis à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu. Dans cet état, les atomes « fusionnent » et se comportent comme une seule grande particule qui obéit aux lois de la mécanique quantique. Par exemple, tous les atomes oscillent de manière synchrone et ont un comportement collectif. De plus, un BEC peut se déplacer sans frottement (superfluidité) et réagit particulièrement bien aux plus petites influences extérieures, comme les forces et les champs. C’est pourquoi ils sont particulièrement intéressants pour les mesures de précision et les expériences en physique quantique.
En 2017, la sonde spatiale MAIUS-1 a été lancée dans l’espace. Les scientifiques ont alors réussi à créer un condensat de Bose-Einstein dans l’espace et à l’utiliser pour des expériences d’interférométrie. Cette découverte est cruciale pour l’utilisation dans l’espace et pour de futures expériences scientifiques. Le succès de la mission a ouvert la voie à de nouvelles expériences utilisant des BEC dans l’espace et pourrait, à long terme, permettre des applications dans les domaines de la navigation, de la géodésie et de la recherche en physique fondamentale. Déjà, en décembre 2023, la sonde spatiale MAIUS 2 a été lancée dans l’espace avec pour mission de créer un condensat de Bose-Einstein à partir de deux espèces atomiques différentes (le rubidium et le potassium).
Cryptographie quantique et informatique quantique
La cryptographie quantique utilise les lois de la mécanique quantique pour crypter des informations de manière absolument sûre. Pour ce faire, une clé cryptée est transmise par des états quantiques. En raison de la mécanique quantique, il est impossible d’écouter (d’intercepter des informations) sans modifier les données, ce qui se remarque immédiatement. La cryptographie quantique est considérée comme un nouveau jalon pour se protéger contre la fraude et les cyberattaques, en particulier dans les domaines et secteurs d’activité où des données sensibles sont traitées, tels que le secteur financier, les compagnies d’assurance ou le secteur de la santé.
L’informatique quantique a également fait les gros titres ces derniers mois, avec de nouveaux développements et produits, notamment lorsqu’il s’agit d’ordinateurs quantiques. Ceux-ci ne fonctionnent plus avec des bits, mais avec des qubits. Les qubits peuvent non seulement être 0 ou 1, mais aussi prendre les deux états simultanément par superposition. Les avantages : les ordinateurs quantiques utilisent l’intrication quantique et le traitement parallèle. Ils peuvent ainsi résoudre certains problèmes, comme dans la cryptographie ou la recherche sur les matériaux, beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques. Ce sont surtout des entreprises comme IBM ou Google qui jouent un rôle de pionnier avec leurs ordinateurs quantiques et font avancer le développement. Google a par exemple présenté une nouvelle puce quantique en décembre dernier. Cette puce dépasserait de loin la vitesse de calcul de n’importe quel ordinateur actuellement disponible. Il faut moins de cinq minutes à la nouvelle puce de Google pour effectuer un calcul de référence qui prendrait environ dix septillions d’années aux superordinateurs les plus rapides actuellement (une période qui dépasserait l’âge de l’univers). Cependant, à l’heure actuelle, les ordinateurs quantiques sont encore légèrement sujets aux erreurs. Cela est principalement dû à la sensibilité des qubits et aux limites physiques imposées par le matériel actuel. Ce n’est que lorsque les entreprises auront développé des technologies de qubits plus stables et seront en mesure d’éviter ou de corriger les erreurs de manière fiable que l’ordinateur quantique sera également prêt à être mis à l’échelle pour une utilisation à grande échelle.
Téléportation quantique
La téléportation quantique est un procédé de mécanique quantique dans lequel l’état d’une particule (par exemple un photon ou un atome) est transmis d’un endroit à un autre sans que la particule elle-même ne traverse l’espace. Il ne s’agit donc pas de la « téléportation » d’un objet, mais de la transmission exacte d’informations sur l’état d’une particule.
La téléportation quantique permet ainsi l’échange sécurisé d’états quantiques, ce qui est essentiel pour les futurs réseaux quantiques. Dans un Internet quantique, les informations peuvent être transmises de manière entrelacée et sans risque d’interception. De plus, les états intriqués peuvent être transportés sur de longues distances. La téléportation quantique joue également un rôle important dans le domaine de l’informatique quantique : elle permet de transférer des qubits entre différentes parties d’un ordinateur quantique sans détruire leurs états sensibles.
Supraconducteurs (nécessaires entre autres pour les centrales à fusion)
Ce sont des matériaux qui perdent complètement leur résistance électrique à partir d’une certaine température (température de transition). Cela signifie qu’ils peuvent conduire l’électricité sans perte d’énergie. La supraconductivité se produit lorsque les électrons du matériau forment des paires dites de Cooper qui se déplacent sans résistance à travers le réseau du matériau. Des recherches sont actuellement menées pour développer des supraconducteurs à température ambiante, ce qui permettrait de rendre cette technologie utilisable à d’autres fins.
Dans les centrales à fusion, les supraconducteurs jouent un rôle crucial dans la création et le contrôle des champs magnétiques extrêmement puissants nécessaires à la fusion. Par exemple, les réacteurs à fusion génèrent un plasma chaud (températures supérieures à 100 millions de degrés) dans lequel a lieu la fusion des isotopes de l’hydrogène (par exemple le deutérium et le tritium). Le plasma est si chaud qu’il ne doit pas entrer en contact avec les parois. Il est donc confiné et maintenu en suspension par des champs magnétiques puissants. Ces champs magnétiques sont générés par des bobines supraconductrices, car elles nécessitent des intensités de courant très élevées, qui entraîneraient d’énormes pertes d’énergie avec des conducteurs normaux.
Un autre point important est l’efficacité énergétique : les supraconducteurs permettent de générer les champs magnétiques sans perte de chaleur, ce qui augmente considérablement l’efficacité énergétique de la centrale à fusion. Sans supraconducteurs, les pertes d’énergie seraient si élevées que l’exploitation d’une centrale à fusion ne serait pas rentable.
De la théorie à la réalité
Ce qui a commencé il y a une centaine d’années, avec la question de savoir comment décrire l’état des atomes, a marqué le début d’un changement de paradigme en physique et a modifié la manière dont nous comprenons et décrivons notre monde. Aujourd’hui, la technologie quantique est devenue une discipline florissante de la recherche en physique. Il incombe désormais aux penseurs de mettre en pratique les acquis dans ce domaine et de les faire progresser.
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