Les principes fondamentaux
En physique quantique, l'énergie est quantifiée : un électron ne peut occuper que certains niveaux. La superposition signifie qu'un système peut être dans plusieurs états à la fois, tant qu'il n'est pas mesuré. L'incertitude de Heisenberg indique qu'on ne peut pas connaître simultanément la position et la vitesse d'une particule avec une précision infinie.
La dualité onde-particule est un autre pilier : la lumière et la matière peuvent se comporter comme des ondes ou des particules selon l'expérience. Ce n'est pas une question de choix arbitraire, mais de contexte de mesure. Cette dualité explique pourquoi des particules peuvent interférer comme des vagues.
Expériences fondatrices
L'expérience des fentes de Young montre que des électrons produisent des franges d'interférence lorsqu'on ne mesure pas leur trajet. Dès qu'on observe par quelle fente ils passent, le motif disparaît. Ce résultat illustre le rôle central de la mesure dans la théorie quantique.
Le rôle de la mesure
La mesure change le système observé. C'est ce qui rend l'interprétation quantique si particulière : avant la mesure, on parle d'ondes de probabilité, après la mesure, on obtient un résultat précis. Ce passage de la probabilité à l'observation est au cœur des discussions philosophiques.
Mathématiquement, l'état d'un système est décrit par une fonction d'onde. Cette fonction ne donne pas un résultat unique, mais des probabilités. La physique quantique n'est donc pas une théorie du hasard, mais une théorie qui donne des prédictions statistiques extrêmement précises.
L'intrication et les paradoxes
Deux particules intriquées forment un système unique : mesurer l'une donne instantanément l'état de l'autre, même à grande distance. Ce phénomène, longtemps considéré comme paradoxal, a été confirmé par des expériences. Il ouvre la voie à la cryptographie quantique.
Applications déjà partout
Les semi-conducteurs, les capteurs d'image, les lasers, l'IRM ou les horloges atomiques reposent sur la physique quantique. Sans elle, pas d'électronique moderne. Autrement dit, la quantique est déjà une technologie du quotidien, même si ses concepts semblent abstraits.
Les capteurs quantiques permettent de mesurer des champs magnétiques ou des accélérations avec une précision inédite. Ces technologies sont utilisées en navigation, en géophysique et pour explorer des matériaux.
Informatique quantique
Un ordinateur quantique utilise des qubits capables de superposition et d'intrication. Pour certains problèmes, cela promet des gains de performance importants, comme la simulation de molécules. Mais ces machines sont encore fragiles : le bruit et la décohérence rendent les calculs instables.
Les applications les plus plausibles à court terme concernent la chimie et l'optimisation, mais la plupart des usages quotidiens resteront classiques. La recherche vise surtout à identifier des problèmes où la quantique apporte un avantage net.
Débats et interprétations
Plusieurs interprétations coexistent (Copenhague, mondes multiples, etc.). Elles ne changent pas les prédictions expérimentales, mais elles influencent notre vision de la réalité. Ce débat montre que la quantique n'est pas seulement une théorie technique : elle est aussi philosophique.
Ce qu'il faut surveiller
Les avancées sur les qubits, les corrections d'erreurs et les réseaux quantiques seront déterminantes. Les applications les plus prometteuses à court terme concernent la mesure ultra-précise et la chimie computationnelle.
À retenir
La physique quantique décrit un monde probabiliste et quantifié. Elle est essentielle à la technologie moderne et ouvre des perspectives nouvelles, tout en bousculant notre intuition.