Effets quantiques
La mécanique quantique n'est pas une théorie lointaine — elle se manifeste dans des expériences dont les résultats défient toute intuition ordinaire tout en restant parfaitement reproductibles. Quatre effets qui marquent les limites de l'imaginable.
L'expérience des fentes de Young
Lorsqu'on envoie des électrons ou des photons, un par un, à travers deux fentes étroites et parallèles, un motif de bandes claires et sombres apparaît sur l'écran situé derrière — particule après particule. Exactement le motif que l'on obtiendrait si des ondes traversaient les deux fentes en même temps et s'additionnaient ou s'annulaient mutuellement. Chaque particule semble ainsi passer « par les deux fentes à la fois ».
Mais dès qu'on installe un détecteur qui mesure par quelle fente la particule passe réellement, la figure d'interférence disparaît aussitôt — il ne reste que deux amas simples, exactement là où on les attendrait pour des particules. C'est la mesure elle-même — et non une perturbation physique — qui décide si la particule se comporte comme une onde ou comme une particule. L'expérience des fentes de Young avec des électrons fut réalisée pour la première fois en 1961 par Claus Jönsson ; que le motif se construise réellement particule par particule fut montré plus tard par Pier Giorgio Merli, Gian Franco Missiroli et Giulio Pozzi (1974–76), puis de façon spectaculaire par Akira Tonomura et ses collègues (1989). Cette expérience est considérée comme l'expérience centrale de la mécanique quantique : Richard Feynman l'appelait « le seul mystère ».
L'effet tunnel
Selon la physique classique, si l'énergie d'une particule ne suffit pas à franchir une barrière de potentiel, elle rebondit inévitablement — comme une balle qui roule vers un mur sans avoir assez d'élan pour la colline qui se trouve derrière. Mais en mécanique quantique, une particule n'est pas une bille avec une position précise : c'est une fonction d'onde qui possède une certaine étendue. Cette fonction d'onde pénètre elle aussi dans la barrière et — avec une amplitude décroissante mais jamais nulle — la traverse même de part en part.
Résultat : une particule peut apparaître, avec une certaine probabilité, de l'autre côté d'une barrière qu'elle n'aurait jamais dû « franchir » d'après le calcul classique. L'effet tunnel n'est pas un phénomène exotique et marginal — il est le principe fondateur du microscope à effet tunnel, qui rend les atomes individuels visibles, il est le moteur de la désintégration alpha radioactive, et il rend possible la fusion nucléaire au cœur du Soleil : sans effet tunnel, les noyaux d'hydrogène y seraient tout simplement trop froids pour fusionner.
L'intrication quantique
Deux particules peuvent être préparées dans un état quantique commun où leurs propriétés sont indissociablement liées — on dit qu'elles sont intriquées. Avant toute mesure, aucune des deux particules n'a d'état déterminé : c'est seulement l'acte de mesure sur l'une d'elles qui « décide » du résultat — et au même instant, le résultat pour l'autre particule est lui aussi fixé, de façon exactement corrélée, quelle que soit la distance qui sépare alors les deux particules.
Albert Einstein qualifiait ce comportement, non sans ironie, d'« action fantomatique à distance » et était convaincu qu'il devait exister des propriétés cachées, déjà fixées à l'avance, pour l'expliquer. John Bell a montré en 1964, par le calcul, comment cette idée pouvait être testée expérimentalement — et les expériences menées depuis les années 1980 (dont certaines ont été récompensées par le prix Nobel de physique 2022) ont confirmé de façon concordante la mécanique quantique : il n'existe pas de variables cachées. Point important : l'intrication ne permet aucune transmission d'information plus rapide que la lumière — le résultat d'une mesure isolée reste aléatoire, seule la corrélation entre les deux résultats est réelle.
La téléportation quantique
Le nom évoque Star Trek, mais la téléportation quantique ne transporte aucune matière — elle transfère un état quantique exact d'une particule à une autre, en détruisant l'état original. Le procédé utilise une paire de particules déjà intriquées : au point A, l'état à transmettre est mesuré conjointement avec une moitié de la paire intriquée. Le résultat de cette mesure est transmis — classiquement, donc pas plus vite que la lumière — jusqu'au point B. Une fois là-bas, il permet de transformer la seconde moitié de la paire intriquée exactement dans l'état d'origine.
Le point décisif est le théorème de non-clonage : un état quantique inconnu ne peut, par principe, être copié sans détruire l'original — tout le contraire d'un document Word ou d'une photo. La téléportation contourne cette interdiction en déplaçant l'état au lieu de le dupliquer. En 2017, le satellite chinois Micius est parvenu à téléporter des photons intriqués entre la Terre et l'orbite — sur une distance de 1 400 kilomètres. Le procédé a une portée pratique surtout pour les ordinateurs quantiques et la communication quantique inviolable, et non pour le transport de matière ou d'êtres vivants.