Dans les années 1920, la mécanique quantique, la théorie qui sous-tend tout, du comportement des atomes au fonctionnement des ordinateurs quantiques, était en passe de se généraliser. Mais un mystère subsistait : parfois les objets quantiques, comme les électrons, les atomes et les molécules, se comportent comme des particules, d'autres comme des ondes. Parfois, ils se comportent même comme des particules et des ondes en même temps. Par conséquent, lors de l'étude de ces objets quantiques, il n'a jamais été clair quelle approche les scientifiques devraient utiliser dans leurs calculs.
Parfois, les scientifiques devaient supposer que les objets quantiques étaient des ondes pour obtenir le bon résultat. Dans d'autres cas, ils ont dû supposer que les objets étaient en fait des particules. Parfois, l'une ou l'autre approche fonctionnait. Mais dans d'autres cas, une seule approche produisait le résultat correct, tandis que l'autre renvoyait un faux résultat. L'histoire de ce problème remonte à loin, mais des expériences récentes ont jeté un nouvel éclairage sur cette vieille question.
Histoire quantique
Dans l'expérience à double fente du même nom, menée pour la première fois par Thomas Young en 1801, la lumière se comportait comme des ondes. Dans cette expérience, un faisceau laser est dirigé vers une double fente, puis le motif résultant est examiné. Si la lumière était composée de particules, on s'attendrait à deux blocs de lumière en forme de fente. Au lieu de cela, le résultat est de nombreux petits blocs de lumière disposés selon un motif caractéristique. Placer une double fente dans le jet d'eau donnerait le même motif juste en dessous. Cette expérience a donc conduit à la conclusion que la lumière est une onde.
Puis, en 1881, Heinrich Hertz fait une drôle de découverte. Lorsqu'il a pris deux électrodes et appliqué une tension suffisamment élevée entre elles, des étincelles sont apparues. C'est normal. Mais lorsque Hertz a éclairé ces électrodes, la tension d'étincelle a changé. Cela s'expliquait par le fait que la lumière éliminait les électrons du matériau de l'électrode. Mais, assez étrangement, la vitesse maximale des électrons éjectés ne changeait pas si l'intensité de la lumière changeait, mais changeait avec la fréquence de la lumière. Ce résultat serait impossible si la théorie des ondes était vraie. En 1905, Albert Einstein avait une solution : la lumière était en fait une particule. Tout cela était insatisfaisant. Les scientifiques préfèrent une théorie qui est toujours vraie à deux théories qui sont parfois vraies. Et si une théorie n'est vraie que parfois, alors on aimerait au moins pouvoir dire à quelles conditions elle est vraie.
Mais c'était précisément le problème de cette découverte. Les physiciens ne savaient pas quand considérer la lumière ou tout autre objet comme une onde et quand comme une particule. Ils savaient que certaines choses provoquent un comportement ondulatoire, comme les bords des fentes. Mais ils n'avaient pas d'explication claire sur les raisons pour lesquelles il en est ainsi ni sur le moment d'utiliser une théorie.
Cette énigme s'appelle dualisme des ondes corpusculaires, est encore conservé. Mais une nouvelle étude pourrait éclairer la situation. Des scientifiques de l'Institut coréen des sciences fondamentales ont montré que les propriétés de la source lumineuse affectent à quel point c'est une particule et à quel point c'est une onde. Avec une nouvelle approche pour étudier ce problème, ils ont ouvert une voie qui pourrait même conduire à des améliorations de l'informatique quantique. Ou de tels espoirs.
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Comment créer des particules et des ondes
Dans l'expérience, les scientifiques ont utilisé un miroir semi-réfléchissant pour diviser le faisceau laser en deux parties. Chacun de ces rayons frappe le cristal, qui à son tour produit deux photons. Au total, quatre photons sont émis, deux par cristal.
Les scientifiques ont envoyé un photon de chaque cristal dans l'interféromètre. Cet appareil combine deux sources lumineuses et crée un motif d'interférence. Ce modèle a été découvert pour la première fois par Thomas Young dans son expérience à deux fentes susmentionnée. C'est aussi ce que l'on voit quand on jette deux cailloux dans un étang : des ondulations d'eau dont certaines se renforcent et d'autres se neutralisent. En d'autres termes, l'interféromètre détecte la nature ondulatoire de la lumière.
Les trajets des deux autres photons ont été utilisés pour déterminer leurs caractéristiques corpusculaires. Bien que les auteurs de l'article n'aient pas précisé comment ils ont procédé, cela se fait généralement en faisant passer un photon à travers un matériau qui montre où le photon est allé. Par exemple, vous pouvez tirer un photon à travers un gaz, qui s'enflammera ensuite là où le photon est passé. En se concentrant sur la trajectoire plutôt que sur la destination finale, le photon peut être une onde. En effet, si vous mesurez l'emplacement exact du photon à chaque instant, il est ponctuel et ne peut pas se frapper.
C'est l'un des nombreux exemples en physique quantique où une mesure affecte activement le résultat de ladite mesure. Par conséquent, dans cette partie de l'expérience, le motif d'interférence à la fin de la trajectoire du photon était absent. Ainsi, les chercheurs ont découvert comment un photon peut être une particule. Le défi consistait maintenant à quantifier la part de cette particule et la part restante du caractère d'onde.
Puisque les deux photons d'un même cristal sont produits ensemble, ils forment un seul état quantique. Cela signifie qu'il est possible de trouver une formule mathématique qui décrit ces deux photons simultanément. En conséquence, si les chercheurs peuvent quantifier la force de la "partialité" et de la "longueur d'onde" de deux photons, cette quantification peut être appliquée à l'ensemble du faisceau atteignant le cristal.
En effet, les chercheurs ont réussi. Ils ont mesuré l'ondulation du photon en vérifiant la visibilité du motif d'interférence. Lorsque la visibilité était élevée, le photon était très ondulatoire. Lorsque le motif était à peine visible, ils ont conclu que le photon devait ressembler beaucoup à une particule.
Et cette visibilité était accidentelle. Elle était la plus élevée lorsque les deux cristaux recevaient la même intensité du faisceau laser. Cependant, si le faisceau d'un cristal était beaucoup plus intense que l'autre, la visibilité du motif devenait très faible et les photons étaient plus susceptibles de ressembler à des particules.
Ce résultat est surprenant car dans la plupart des expériences la lumière n'est mesurée que sous forme d'ondes ou de particules. Aujourd'hui, dans plusieurs expériences, les deux paramètres ont été mesurés simultanément. Cela signifie qu'il est facile de déterminer la quantité de chaque propriété d'une source lumineuse.
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Les physiciens théoriciens sont ravis
Ce résultat correspond à la prédiction faite précédemment par les théoriciens. Selon leur théorie, le caractère ondulatoire et corpusculaire d'un objet quantique dépend de la pureté de la source. La pureté dans ce contexte n'est qu'une manière fantaisiste d'exprimer la probabilité qu'une source cristalline particulière soit celle qui émet la lumière. La formule est la suivante : V2 + P2 = µ2, où V est la visibilité du motif directionnel, P est la visibilité du chemin et µ est la pureté de la source.
Cela signifie qu'un objet quantique tel que la lumière peut ressembler à une onde dans une certaine mesure et à une particule dans une certaine mesure, mais cela est limité par la pureté de la source. Un objet quantique est ondulatoire si un motif d'interférence est visible ou si la valeur de V n'est pas égale à zéro. De plus, il ressemble à une particule si le chemin est observable ou si P est différent de zéro.
Une autre conséquence de cette prédiction est que la pureté est que si l'intrication du chemin quantique est élevée, la pureté est faible, et vice versa. Les scientifiques qui ont mené l'expérience l'ont montré mathématiquement dans leurs travaux. En ajustant la pureté des cristaux et en mesurant les résultats, ils ont pu montrer que ces prédictions théoriques étaient en effet correctes.
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Des ordinateurs quantiques plus rapides ?
Le lien entre l'intrication d'un objet quantique et sa corpuscularité et son ondulation est particulièrement intéressant. Les dispositifs quantiques qui pourraient alimenter l'Internet quantique sont basés sur l'intrication. L'Internet quantique est une analogie quantique de ce qu'est Internet pour les ordinateurs classiques. En connectant de nombreux ordinateurs quantiques ensemble et en leur permettant de partager des données, les scientifiques espèrent gagner plus de puissance que ce qui pourrait être obtenu avec un seul ordinateur quantique.
Mais au lieu d'envoyer des bits sur une fibre optique, ce que nous faisons pour alimenter l'Internet classique, nous devons enchevêtrer des qubits pour former l'Internet quantique. Pouvoir mesurer l'intrication d'une particule et l'ondulation d'un photon signifie que nous pouvons trouver des moyens plus simples de contrôler la qualité de l'Internet quantique.
De plus, les ordinateurs quantiques eux-mêmes peuvent devenir meilleurs en utilisant le dualisme particule-onde. Selon la proposition de chercheurs de l'Université chinoise de Tsinghua, il est possible de faire fonctionner un petit ordinateur quantique à travers un réseau multi-fentes pour augmenter sa puissance. Un petit ordinateur quantique serait composé de quelques atomes eux-mêmes utilisés comme qubits, et de tels dispositifs existent déjà.
Le passage de ces atomes à travers un réseau multi-fentes est très similaire au passage de la lumière à travers une double fente, bien que bien sûr un peu plus compliqué. Cela créera plus d'états quantiques possibles, ce qui, à son tour, augmentera la puissance de l'ordinateur "tiré". Les mathématiques derrière cela sont trop compliquées pour être expliquées dans cet article, mais le résultat important est qu'un tel ordinateur à deux quantiques peut être meilleur en calcul parallèle que les ordinateurs quantiques conventionnels. Le calcul parallèle est également courant dans le calcul classique et fait essentiellement référence à la capacité d'un ordinateur à effectuer plusieurs calculs simultanément, ce qui le rend globalement plus rapide.
Ainsi, bien qu'il s'agisse de recherche très fondamentale, des applications possibles se profilent déjà à l'horizon. Pour l'instant c'est impossible à prouver, mais ces découvertes pourraient accélérer les ordinateurs quantiques et légèrement accélérer l'émergence de l'internet quantique.
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Très fondamental, mais très intéressant
Tout cela doit être pris avec beaucoup de scepticisme. La recherche est solide, mais elle est aussi très basique. Comme c'est généralement le cas en science et technologie, il y a un long chemin entre la recherche fondamentale et les applications dans le monde réel.
Mais des chercheurs coréens ont découvert une chose très intéressante : le mystère du dualisme particule-onde ne disparaîtra pas de si tôt. Au contraire, il semble être si profondément enraciné dans tous les objets quantiques qu'il vaut mieux l'utiliser. Avec la nouvelle base quantitative liée à la pureté de la source, cela sera plus facile à faire.
L'un des premiers cas d'utilisation pourrait se produire en informatique quantique. Comme les scientifiques l'ont montré, l'intrication quantique et le dualisme particule-onde sont liés. Ainsi, au lieu de l'enchevêtrement, la quantité d'ondulation et de corpuscularité pourrait être mesurée. Cela pourrait aider les scientifiques travaillant à la création d'un Internet quantique. Ou vous pouvez utiliser dualité pour améliorer les ordinateurs quantiques et les rendre plus rapides. Quoi qu'il en soit, il semble que des temps quantiques passionnants approchent à grands pas.
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Merci pour l'article ! "Des programmes possibles sont déjà à l'horizon" - probablement pas des programmes, mais des applications ?
Merci, très intéressant. Plus d'articles de ce genre.
Merci! Nous essayerons ;)