La technologie quantique est actuellement l’un des domaines de recherche des plus passionnants, car elle nous permet de faire d’\u00e9normes avanc\u00e9es 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 th\u00e9orie de la physique quantique se traduit-elle dans les applications pratiques ?<\/p>\n\n\n\n
La technologie quantique est une partie tr\u00e8s th\u00e9orique de la physique, bas\u00e9e sur la m\u00e9canique quantique. Il s’agit d’une th\u00e9orie physique dans laquelle les chercheurs tentent de d\u00e9crire les propri\u00e9t\u00e9s et les lois des \u00e9tats et des processus de la mati\u00e8re. La particularit\u00e9 de cette th\u00e9orie est que ces calculs ont lieu \u00e0 l’\u00e9chelle de l’atome, voire en dessous. La m\u00e9canique quantique est \u00e9galement \u00e0 la base des ph\u00e9nom\u00e8nes physiques atomiques.<\/p>\n\n\n\n
Elle s’applique fondamentalement aux objets. La question est de savoir comment ces objets se d\u00e9placent sous l’effet de forces et si l’on peut \u00e9galement calculer d’\u00e9ventuels \u00e9tats futurs. Cependant, ces calculs se heurtent rapidement \u00e0 des principes qui contredisent les principes physiques traditionnels. C’est pour cette raison qu’elle est consid\u00e9r\u00e9e comme particuli\u00e8rement complexe et difficile \u00e0 comprendre. Les applications actuelles de la technologie quantique se trouvent toutefois aussi dans des domaines purement num\u00e9riques, comme la cryptographie.<\/p>\n\n\n\n
Les d\u00e9buts de la m\u00e9canique quantique se situent entre 1925 et 1932, avec les d\u00e9couvertes de Werner Heisenberg, Erwin Schr\u00f6dinger, Max Born et d’autres. Elles s’appuient sur une \u00ab physique quantique plus ancienne \u00bb sur laquelle Albert Einstein, Max Planck ou encore Niels Bohr avaient d\u00e9j\u00e0 travaill\u00e9. \u00c0 cette \u00e9poque, tout tournait autour de la question de savoir comment d\u00e9crire l’\u00e9tat des atomes. <\/p>\n\n\n\n
M\u00eame si la plupart des gens ne pourraient pas expliquer ces principes physiques, ou seulement de mani\u00e8re sch\u00e9matique, leurs noms ou des expressions courantes comme \u00ab le chat de Schr\u00f6dinger \u00bb, sont connus des profanes. C’est ainsi que la physique quantique a ouvert un nouvel \u00e2ge d’or dans la recherche physique, sur lequel on continue de travailler inlassablement jusqu’\u00e0 aujourd’hui. Entre-temps, de nouveaux domaines de recherche ont vu le jour, comme la th\u00e9orie quantique des champs ou l’\u00e9lectrodynamique quantique.<\/p>\n\n\n\n
Pour expliquer en d\u00e9tail la m\u00e9canique quantique, il faudrait probablement un livre entier. C’est pourquoi nous n’aborderons ici que les points les plus importants :<\/p>\n\n\n\n
Mais comment cette recherche fondamentale permet-elle de d\u00e9velopper de nouveaux produits qui peuvent \u00e9galement \u00eatre utilis\u00e9s dans l’industrie ? En effet, une technologie n’est v\u00e9ritablement \u00e9tablie que lorsque la recherche fondamentale th\u00e9orique peut \u00e9galement \u00eatre transpos\u00e9e dans des applications et des produits pratiques, et qu’elle apporte ainsi des avantages significatifs par rapport \u00e0 d’autres technologies d\u00e9j\u00e0 \u00e9tablies. 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 d\u00e9crits 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 ?<\/p>\n\n\n\n
La fonction d’onde est centrale, car elle est \u00e0 la base de la description et de la pr\u00e9diction des ph\u00e9nom\u00e8nes quantiques. Dans le domaine des capteurs quantiques, il est important de pouvoir contr\u00f4ler et manipuler la fonction d’onde d’un syst\u00e8me afin d’effectuer des mesures pr\u00e9cises. Les amplitudes de probabilit\u00e9 au sein de la fonction d’onde fournissent des informations sur la probabilit\u00e9 de trouver une particule \u00e0 un endroit donn\u00e9 ou dans un \u00e9tat donn\u00e9. Ces informations sont essentielles pour \u00e9talonner la sensibilit\u00e9 des capteurs quantiques et d\u00e9terminer les conditions de mesure optimales.<\/p>\n\n\n\n
Un syst\u00e8me quantique dans un \u00e9tat de superposition peut r\u00e9agir de mani\u00e8re tr\u00e8s sensible aux influences ext\u00e9rieures telles que les champs magn\u00e9tiques, les champs \u00e9lectriques ou les changements de temp\u00e9rature. En contr\u00f4lant et en mesurant pr\u00e9cis\u00e9ment cette superposition, il est possible de d\u00e9terminer pr\u00e9cis\u00e9ment ces influences ext\u00e9rieures. L’utilisation de centres de d\u00e9fauts d’azote dans les diamants, qui servent de capteurs de champs magn\u00e9tiques tr\u00e8s sensibles, en est un exemple.<\/p>\n\n\n\n
De cette mani\u00e8re, il est possible d’effectuer des mesures tr\u00e8s sensibles qui ne seraient pas faisables avec des capteurs traditionnels. Les magn\u00e9tom\u00e8tres quantiques, par exemple, peuvent mesurer des champs magn\u00e9tiques extr\u00eamement faibles, tels que ceux g\u00e9n\u00e9r\u00e9s par l’activit\u00e9 \u00e9lectrique dans le cerveau ou le c\u0153ur. Ils permettent ainsi d’\u00e9tablir des diagnostics plus pr\u00e9cis et non invasifs par magn\u00e9toenc\u00e9phalographie (MEG) ou magn\u00e9tocardiographie (MCG).<\/p>\n\n\n\n
L’enchev\u00eatrement est un autre m\u00e9canisme cl\u00e9 dans le domaine des capteurs quantiques. En cas d’enchev\u00eatrement, l’\u00e9tat d’une particule reste corr\u00e9l\u00e9 \u00e0 celui d’une autre, m\u00eame si elles sont tr\u00e8s \u00e9loign\u00e9es l’une de l’autre. Cette propri\u00e9t\u00e9 est utilis\u00e9e pour effectuer des mesures extr\u00eamement sensibles. Les \u00e9tats enchev\u00eatr\u00e9s am\u00e9liorent la pr\u00e9cision et la sensibilit\u00e9 des capteurs, car ils peuvent r\u00e9duire le bruit quantique et rendre ainsi les mesures plus pr\u00e9cises.<\/p>\n\n\n\n
Cela est particuli\u00e8rement utile dans les interf\u00e9rom\u00e8tres \u00e0 faible bruit quantique, utilis\u00e9s par exemple en gravim\u00e9trie pour les mesures dans le champ de gravit\u00e9 de la Terre. Ces appareils peuvent d\u00e9tecter les plus petits changements, ce qui aide \u00e0 la recherche de gisements de p\u00e9trole, de gaz ou de min\u00e9raux, ou \u00e0 la surveillance des volcans, et permet ainsi de faire des pr\u00e9visions encore plus pr\u00e9cises.<\/p>\n\n\n\n
Le principe d’incertitude d’Heisenberg fixe une limite \u00e0 la pr\u00e9cision avec laquelle certaines mesures peuvent \u00eatre effectu\u00e9es simultan\u00e9ment. Dans le domaine des capteurs quantiques, les chercheurs essaient de comprendre ces limites et d’optimiser les r\u00e9sultats de mesure en d\u00e9veloppant des strat\u00e9gies de mesure qui minimisent le bruit quantique et maximisent la pr\u00e9cision. En ce sens, le principe d’incertitude offre une limite sur laquelle les chercheurs peuvent s’appuyer et qui les incite \u00e0 innover sans cesse pour obtenir des mesures encore plus pr\u00e9cises.<\/p>\n\n\n\n
Elle am\u00e9liore d\u00e9j\u00e0 notre recherche, notre d\u00e9veloppement et notre production dans de nombreux domaines, comme celui des capteurs.<\/p>\n\n\n\n
La microscopie \u00e0 effet tunnel \u00e0 balayage consiste \u00e0 \u00e9tudier la structure de surface des mat\u00e9riaux au niveau atomique. Pour ce faire, elle utilise l’effet tunnel, un ph\u00e9nom\u00e8ne central de la m\u00e9canique quantique. L’effet tunnel se produit de la mani\u00e8re suivante : lorsqu’une pointe m\u00e9tallique extr\u00eamement pointue (le \u00ab c\u00f4ne d’encliquetage \u00bb) est plac\u00e9e tr\u00e8s pr\u00e8s d’une surface conductrice (\u00e0 une distance inf\u00e9rieure \u00e0 1 nanom\u00e8tre), les \u00e9lectrons peuvent \u00ab passer en tunnel \u00bb \u00e0 travers le minuscule interstice, m\u00eame si le passage direct \u00e9tait bloqu\u00e9 par une barri\u00e8re \u00e9nerg\u00e9tique. Cet effet tunnel g\u00e9n\u00e8re un courant \u00e9lectrique mesurable, appel\u00e9 courant tunnel. Ce courant tunnel d\u00e9pend fortement de la distance entre la pointe et la surface. Une modification de la distance de seulement quelques picom\u00e8tres (billioni\u00e8mes de m\u00e8tre) entra\u00eene une modification significative du courant tunnel. Cela permet de cartographier la structure atomique de la surface avec une grande pr\u00e9cision.<\/p>\n\n\n\n
La microscopie \u00e0 effet tunnel \u00e0 balayage peut donc \u00eatre utilis\u00e9e pour examiner les semi-conducteurs, les m\u00e9taux ou les nanomat\u00e9riaux \u00e0 la recherche des plus petites irr\u00e9gularit\u00e9s et offre ainsi de nouvelles possibilit\u00e9s en micro\u00e9lectronique.<\/p>\n\n\n\n
Les m\u00e9moires flash sont particuli\u00e8rement durables et fiables, car l’effet isolant de la grille flottante revalorise les \u00e9lectrons stock\u00e9s pendant une longue p\u00e9riode. De plus, elles consomment peu d’\u00e9nergie, car aucune \u00e9nergie n’est n\u00e9cessaire pour conserver les donn\u00e9es une fois le stockage effectu\u00e9. Comme les m\u00e9moires flash offrent une grande capacit\u00e9 de stockage dans un espace r\u00e9duit, elles sont \u00e9galement tr\u00e8s compactes et conviennent donc \u00e9galement aux petits appareils comme les smartphones, aux v\u00e9hicules intelligents ou autres appareils de l’Internet des objets (IoT).<\/p>\n\n\n\n
L’IRM est d\u00e9j\u00e0 tr\u00e8s r\u00e9pandue en m\u00e9decine. Cette m\u00e9thode d’imagerie fournit des images d\u00e9taill\u00e9es de l’int\u00e9rieur du corps en utilisant des principes physiques tels que des champs magn\u00e9tiques puissants et des ondes de radiofr\u00e9quence. Contexte : de nombreux atomes du corps, en particulier les noyaux d’hydrog\u00e8ne (protons) dans les mol\u00e9cules d’eau, poss\u00e8dent une propri\u00e9t\u00e9 appel\u00e9e spin, une sorte de moment angulaire de la m\u00e9canique quantique. Un aimant puissant dans l’appareil IRM aligne les noyaux d’hydrog\u00e8ne (protons) dans le corps, qui se comportent comme de petits aimants. Une br\u00e8ve impulsion fait d\u00e9vier les protons de leur alignement et les fait basculer dans une superposition. Ils se mettent alors en mouvement et \u00e9mettent de faibles signaux radio. Ils reviennent ensuite \u00e0 leur position initiale. Ce faisant, ils \u00e9mettent de l’\u00e9nergie, qui est mesur\u00e9e par des capteurs. Comme les diff\u00e9rents types de tissus produisent des signaux diff\u00e9rents, un contraste est d\u00e9tect\u00e9 et assembl\u00e9 en une image.<\/p>\n\n\n\n
L’imagerie IRM peut non seulement repr\u00e9senter les diff\u00e9rentes couches de tissus de mani\u00e8re particuli\u00e8rement pr\u00e9cise, mais elle ne n\u00e9cessite pas non plus de rayonnement, contrairement aux appareils \u00e0 rayons X et aux scanners.<\/p>\n\n\n\n
Un condensat de Bose-Einstein (BEC) est un \u00e9tat particulier de la mati\u00e8re qui se produit lorsque les atomes sont refroidis \u00e0 des temp\u00e9ratures extr\u00eamement basses, proches du z\u00e9ro absolu. Dans cet \u00e9tat, les atomes \u00ab fusionnent \u00bb et se comportent comme une seule grande particule qui ob\u00e9it aux lois de la m\u00e9canique quantique. Par exemple, tous les atomes oscillent de mani\u00e8re synchrone et ont un comportement collectif. De plus, un BEC peut se d\u00e9placer sans frottement (superfluidit\u00e9) et r\u00e9agit particuli\u00e8rement bien aux plus petites influences ext\u00e9rieures, comme les forces et les champs. C’est pourquoi ils sont particuli\u00e8rement int\u00e9ressants pour les mesures de pr\u00e9cision et les exp\u00e9riences en physique quantique.<\/p>\n\n\n\n
En 2017, la sonde spatiale MAIUS-1 a \u00e9t\u00e9 lanc\u00e9e dans l’espace. Les scientifiques ont alors r\u00e9ussi \u00e0 cr\u00e9er un condensat de Bose-Einstein dans l’espace et \u00e0 l’utiliser pour des exp\u00e9riences d’interf\u00e9rom\u00e9trie. Cette d\u00e9couverte est cruciale pour l’utilisation dans l’espace et pour de futures exp\u00e9riences scientifiques. Le succ\u00e8s de la mission a ouvert la voie \u00e0 de nouvelles exp\u00e9riences utilisant des BEC dans l’espace et pourrait, \u00e0 long terme, permettre des applications dans les domaines de la navigation, de la g\u00e9od\u00e9sie et de la recherche en physique fondamentale. D\u00e9j\u00e0, en d\u00e9cembre 2023, la sonde spatiale MAIUS 2 a \u00e9t\u00e9 lanc\u00e9e dans l’espace avec pour mission de cr\u00e9er un condensat de Bose-Einstein \u00e0 partir de deux esp\u00e8ces atomiques diff\u00e9rentes (le rubidium et le potassium).<\/p>\n\n\n\n
La cryptographie quantique utilise les lois de la m\u00e9canique quantique pour crypter des informations de mani\u00e8re absolument s\u00fbre. Pour ce faire, une cl\u00e9 crypt\u00e9e est transmise par des \u00e9tats quantiques. En raison de la m\u00e9canique quantique, il est impossible d’\u00e9couter (d’intercepter des informations) sans modifier les donn\u00e9es, ce qui se remarque imm\u00e9diatement. La cryptographie quantique est consid\u00e9r\u00e9e comme un nouveau jalon pour se prot\u00e9ger contre la fraude et les cyberattaques, en particulier dans les domaines et secteurs d’activit\u00e9 o\u00f9 des donn\u00e9es sensibles sont trait\u00e9es, tels que le secteur financier, les compagnies d’assurance ou le secteur de la sant\u00e9.<\/p>\n\n\n\n
L’informatique quantique a \u00e9galement fait les gros titres ces derniers mois, avec de nouveaux d\u00e9veloppements 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 \u00eatre 0 ou 1, mais aussi prendre les deux \u00e9tats simultan\u00e9ment par superposition. Les avantages : les ordinateurs quantiques utilisent l’intrication quantique et le traitement parall\u00e8le. Ils peuvent ainsi r\u00e9soudre certains probl\u00e8mes, comme dans la cryptographie ou la recherche sur les mat\u00e9riaux, beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques. Ce sont surtout des entreprises comme IBM ou Google<\/a><\/strong> qui jouent un r\u00f4le de pionnier avec leurs ordinateurs quantiques et font avancer le d\u00e9veloppement. Google a par exemple pr\u00e9sent\u00e9 une nouvelle puce quantique en d\u00e9cembre dernier. Cette puce d\u00e9passerait de loin la vitesse de calcul de n’importe quel ordinateur actuellement disponible. Il faut moins de cinq minutes \u00e0 la nouvelle puce de Google pour effectuer un calcul de r\u00e9f\u00e9rence qui prendrait environ dix septillions d’ann\u00e9es aux superordinateurs les plus rapides actuellement (une p\u00e9riode qui d\u00e9passerait l’\u00e2ge de l’univers). Cependant, \u00e0 l’heure actuelle, les ordinateurs quantiques sont encore l\u00e9g\u00e8rement sujets aux erreurs. Cela est principalement d\u00fb \u00e0 la sensibilit\u00e9 des qubits et aux limites physiques impos\u00e9es par le mat\u00e9riel actuel. Ce n’est que lorsque les entreprises auront d\u00e9velopp\u00e9 des technologies de qubits plus stables et seront en mesure d’\u00e9viter ou de corriger les erreurs de mani\u00e8re fiable que l’ordinateur quantique sera \u00e9galement pr\u00eat \u00e0 \u00eatre mis \u00e0 l’\u00e9chelle pour une utilisation \u00e0 grande \u00e9chelle.<\/p>\n\n\n\n La t\u00e9l\u00e9portation quantique est un proc\u00e9d\u00e9 de m\u00e9canique quantique dans lequel l’\u00e9tat d’une particule (par exemple un photon ou un atome) est transmis d’un endroit \u00e0 un autre sans que la particule elle-m\u00eame ne traverse l’espace. Il ne s’agit donc pas de la \u00ab t\u00e9l\u00e9portation \u00bb d’un objet, mais de la transmission exacte d’informations sur l’\u00e9tat d’une particule.<\/p>\n\n\n\n La t\u00e9l\u00e9portation quantique permet ainsi l’\u00e9change s\u00e9curis\u00e9 d’\u00e9tats quantiques, ce qui est essentiel pour les futurs r\u00e9seaux quantiques. Dans un Internet quantique, les informations peuvent \u00eatre transmises de mani\u00e8re entrelac\u00e9e et sans risque d’interception. De plus, les \u00e9tats intriqu\u00e9s peuvent \u00eatre transport\u00e9s sur de longues distances. La t\u00e9l\u00e9portation quantique joue \u00e9galement un r\u00f4le important dans le domaine de l’informatique quantique : elle permet de transf\u00e9rer des qubits entre diff\u00e9rentes parties d’un ordinateur quantique sans d\u00e9truire leurs \u00e9tats sensibles.<\/p>\n\n\n\n Ce sont des mat\u00e9riaux qui perdent compl\u00e8tement leur r\u00e9sistance \u00e9lectrique \u00e0 partir d’une certaine temp\u00e9rature (temp\u00e9rature de transition). Cela signifie qu’ils peuvent conduire l’\u00e9lectricit\u00e9 sans perte d’\u00e9nergie. La supraconductivit\u00e9 se produit lorsque les \u00e9lectrons du mat\u00e9riau forment des paires dites de Cooper qui se d\u00e9placent sans r\u00e9sistance \u00e0 travers le r\u00e9seau du mat\u00e9riau. Des recherches sont actuellement men\u00e9es pour d\u00e9velopper des supraconducteurs \u00e0 temp\u00e9rature ambiante, ce qui permettrait de rendre cette technologie utilisable \u00e0 d’autres fins.<\/p>\n\n\n\n Dans les centrales \u00e0 fusion, les supraconducteurs jouent un r\u00f4le crucial dans la cr\u00e9ation et le contr\u00f4le des champs magn\u00e9tiques extr\u00eamement puissants n\u00e9cessaires \u00e0 la fusion. Par exemple, les r\u00e9acteurs \u00e0 fusion g\u00e9n\u00e8rent un plasma chaud (temp\u00e9ratures sup\u00e9rieures \u00e0 100 millions de degr\u00e9s) dans lequel a lieu la fusion des isotopes de l’hydrog\u00e8ne (par exemple le deut\u00e9rium et le tritium). Le plasma est si chaud qu’il ne doit pas entrer en contact avec les parois. Il est donc confin\u00e9 et maintenu en suspension par des champs magn\u00e9tiques puissants. Ces champs magn\u00e9tiques sont g\u00e9n\u00e9r\u00e9s par des bobines supraconductrices, car elles n\u00e9cessitent des intensit\u00e9s de courant tr\u00e8s \u00e9lev\u00e9es, qui entra\u00eeneraient d’\u00e9normes pertes d’\u00e9nergie avec des conducteurs normaux.<\/p>\n\n\n\n Un autre point important est l’efficacit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique : les supraconducteurs permettent de g\u00e9n\u00e9rer les champs magn\u00e9tiques sans perte de chaleur, ce qui augmente consid\u00e9rablement l’efficacit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique de la centrale \u00e0 fusion. Sans supraconducteurs, les pertes d’\u00e9nergie seraient si \u00e9lev\u00e9es que l’exploitation d’une centrale \u00e0 fusion ne serait pas rentable.<\/p>\n\n\n\n Ce qui a commenc\u00e9 il y a une centaine d’ann\u00e9es, avec la question de savoir comment d\u00e9crire l’\u00e9tat des atomes, a marqu\u00e9 le d\u00e9but d’un changement de paradigme en physique et a modifi\u00e9 la mani\u00e8re dont nous comprenons et d\u00e9crivons notre monde. Aujourd’hui, la technologie quantique est devenue une discipline florissante de la recherche en physique. Il incombe d\u00e9sormais aux penseurs de mettre en pratique les acquis dans ce domaine et de les faire progresser.<\/p>\n\n\n\n Images : Adobe Stock<\/p>\n\n\n\n Ces articles sur la technologie quantique pourraient \u00e9galement vous int\u00e9resser :<\/strong>T\u00e9l\u00e9portation quantique<\/h4>\n\n\n\n
Supraconducteurs (n\u00e9cessaires entre autres pour les centrales \u00e0 fusion)<\/h4>\n\n\n\n
De la th\u00e9orie \u00e0 la r\u00e9alit\u00e9<\/h2>\n\n\n\n
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Robert Staacke de Quantum Technologies intervient sur l\u2019avenir de la technologie des capteurs quantiques<\/a><\/strong><\/p>\n\n\n\n