Depuis la révolution provoquée à sa naissance, la mécanique quantique s’est parfaitement intégrée à notre quotidien, parfois dans des applications que l’on ne soupçonne pas. Claude-Alain Pillet, chercheur au Centre de Physique Théorique (CPT) de l’Université de Toulon revient pour nous sur l’évolution de ce domaine fascinant et souligne les contributions de son laboratoire dans la résolution des prochains défis.
Comment la mécanique quantique a-t-elle évoluée depuis sa naissance au début du XXe ?
À l’époque, certains physiciens pensaient qu’il n’y avait plus qu’un ou deux problèmes à résoudre et qu’une fois fait, on pourrait fermer les livres parce qu’il n’y aurait plus rien à faire. Il se trouve que ces quelques problèmes ont donné naissance à deux révolutions : la relativité et la mécanique quantique. Cette dernière a bouleversé la notion même de réalité, et remis en cause le déterminisme Newtonien. Au fil des décennies, la mécanique quantique est devenue un outil d’une précision inégalée, permettant de calculer des phénomènes autrefois inexplicables. Aujourd’hui, elle est dans beaucoup des outils qu’on utilise tous les jours.
Quelles en sont les applications concrètes aujourd’hui ?
La mécanique quantique a notamment révolutionné l’électronique en permettant la miniaturisation des composants, d’abord les transistors, puis leur intégration dans les circuits intégrés, les puces qui aujourd’hui sont partout, au cœur de nos smartphones et ordinateurs. Elle a envahi nos systèmes de métrologie, où elle redéfinit les unités de mesure avec une précision extrême. La seconde par exemple, est un multiple d’une période d’oscillation d’un phénomène quantique. Le GPS serait impossible sans les avancées en métrologie quantique (ni d’ailleurs sans la relativité générale!).
Les ordinateurs quantiques sont souvent présentés comme la prochaine révolution technologique. Où en sommes-nous ?
Les ordinateurs quantiques promettent de révolutionner le calcul en exploitant les propriétés uniques des particules quantiques comme la superposition et l’intrication. Cependant, leur développement se heurte à des obstacles techniques. L’isolation des systèmes d’abord : pour fonctionner, ces ordinateurs doivent être refroidis près du zéro absolu et protégés de toute perturbation extérieure (vibrations, champs électromagnétiques). Or, même dans ces conditions, les interactions avec l’environnement peuvent fausser les calculs. Ensuite, la mise à l’échelle. Aujourd’hui, les prototypes ne manipulent que quelques « bits quantiques ». Passer à des milliers ou millions de qubits, comme le font les ordinateurs classiques avec les bits, reste un défi colossal.
Quels sont les grands défis pour les années à venir ?
L’un des plus grands défis de la physique moderne est d’unifier la mécanique quantique, qui décrit le monde de l’infiniment petit (atomes, particules), avec la relativité générale d’Einstein, qui gouverne la gravitation à l’échelle de l’univers. Aujourd’hui, ces deux théories sont incompatibles. Résoudre cette contradiction permettrait de mieux comprendre des phénomènes comme les trous noirs, la formation de l’univers ou encore la matière noire et l’énergie noire, ces composantes mystérieuses sensées constituer 95 % de notre univers mais dont on ignore encore presque tout.
De quelle manière le CPT s’efforce de répondre à ces défis ?
À Toulon, le CPT se concentre sur des recherches fondamentales en mécanique quantique, avec une approche résolument mathématique. Nos travaux portent notamment sur l’analyse spectrale des systèmes quantiques, essentielle pour comprendre les propriétés des matériaux avancés, comme les méta-matériaux ou les systèmes aux propriétés topologiques. Ces recherches, menées en collaboration avec des équipes marseillaises, visent à explorer des phénomènes quantiques qui pourraient avoir des applications concrètes dans les décennies à venir.
Un autre axe important concerne les systèmes ouverts, c’est-à-dire des systèmes quantiques en interaction avec leur environnement. Ces études sont cruciales pour aborder des défis technologiques, comme la stabilité des ordinateurs quantiques, où l’isolation et le contrôle des perturbations restent des obstacles majeurs.
Justement, la perturbation des systèmes de mesure est au cœur de vos recherches actuelles. Quelles sont vos pistes d’étude ?
Chaque fois qu’on observe un système quantique, on le perturbe, ce qui pose une question cruciale : comment extraire de l’information fiable sans altérer le système lui-même, et comment interpréter cette information ?
Pour y répondre, j’explore plusieurs pistes. D’abord, je travaille sur la théorie des mesures répétées : en étudiant comment l’information évolue lorsque l’on effectue des mesures successives sur un système, on peut mieux comprendre les limites et les possibilités de l’observation quantique. Cela implique de modéliser mathématiquement ces processus, en tenant compte des interactions entre les composantes de ces systèmes.
Une autre piste concerne les systèmes ouverts, c’est-à-dire des systèmes quantiques qui ne sont pas parfaitement isolés mais interagissent avec leur environnement. D’une part, ces interactions compliquent la mesure et l’interprétation du résultat de cette mesure. D’autre part elles ouvrent la voie à l’extraction d’information par des mesures indirectes sur l’environnement dans lequel ces systèmes déposent leurs « empreintes. » En développant des outils pour décrire la dynamique des systèmes ouverts, on cherche à mieux contrôler les effets indésirables et à apporter des outils pour améliorer la précision des mesures.
Comment suscitez-vous l’intérêt des étudiants pour la physique théorique ?
Beaucoup d’étudiants sont moins intéressés par la théorie que par les applications concrètes. Il est pourtant crucial de leur montrer que la théorie est la base de toute innovation. À l’Université de Toulon, nous encourageons la curiosité scientifique, en espérant inspirer la prochaine génération de chercheurs.
