Definition

Superposition quantique

Contributeurs: Philippe Ducellier

La superposition quantique est une caractéristique fondamentale - mais parfaitement contre-intuitive pour l'esprit humain - des particules plus petites que l'atome qui fait qu'elles peuvent être simultanément dans différents états.

Très schématiquement, ce principe stipule que si une particule - un électron, un photon ou un proton (entre autres particules élémentaires) - peut se trouver en un point A ou en un point B, alors il se trouve en A et en B. Idem : si un électron peut aller à 2000 km/s ou à 1000 km/s, il va à ces deux vitesses à la fois. Les états sont dits « superposés ».

La base de toute la physique quantique

La superposition est la base de la physique quantique, « celle dont tout découle... mais également la plus choquante » avance David Louapre, ingénieur, titulaire d'une thèse sur la gravitation quantique à boucles, animateur de Sciences Étonnantes et auteur de « Mais qui a attrapé le Bison de Higgs ».

Encore plus étrange, « le principe de superposition ne se limite pas à deux états », explique-t-il, « quand un électron tourne autour d'un proton dans l'atome d'hydrogène, il est sur tous les points de son orbite en même temps » et pas simplement en un point A ou en un point B ou en un point C.

Le célèbre et très chafouin Richard Feynman (Prix Nobel de Physique en 1965) prévenait dans ses conférences - regroupées dans le livre « Matière et Lumière » - que « si pour vous un électron tourne autour d'un noyau comme un satellite tourne autour d'une planète, c'est que votre vision de l'atome est restée bloquée en 1915 ».

Difficulté d'interprétation pour l'esprit humain

Le bon sens n'appréhende pas facilement la superposition quantique. Dans l'univers macroscopique (le nôtre) un objet « classique » - un humain, une balle, un train, le soleil - est à un endroit... et pas à un autre. Et il n'a pas non plus plusieurs vitesses en même temps.

L'explication de cette difficulté à représenter ce principe de superposition en est - dixit Etienne Klein - que les théories quantiques qui fonctionnent parfaitement pour prédire des résultats d'expérience (en tout cas jusqu'ici) découlent entièrement des mathématiques (on parle même de « formalisme quantique »).

Cette impossible représentation du principe de superposition pour l'esprit est bien illustrée par une des plus célèbres expériences de pensée - souvent mal comprise - imaginée par le physicien Erwin Schrödinger, un des pères fondateurs du formalisme quantique et Prix Nobel 1933.

Le désormais fameux « Chat de Schrödinger » consiste au final à appliquer les règles quantiques à un objet classique, justement pour montrer les limites et les difficultés à interpréter la notion d'état et de mesure quantique.

Réduction du paquet d'onde et probabilités

La mesure (regarder dans quel état se trouve une particule) est en effet en elle-même une autre étrangeté : elle provoque la disparition définitive de la superposition. Dit autrement, lorsque l'on mesure l'état d'une particule, celle-ci « choisit » un état et un seul (le point A ou le point B, la vitesse v1 ou la vitesse v2). On parle alors de « réduction du paquet d'onde ».

Le « paquet d'onde » ou « fonction d'onde » en question, sont les différentes probabilités des différents états d'une particule. Car, pour ajouter à la bizarrerie quantique, chaque état superposé a une probabilité plus ou moins grande de se « réaliser » à la mesure.

Par exemple, on peut imaginer une particule dont la probabilité d'être à la vitesse v1 est de 70 %, la probabilité d'être à la vitesse v2 est de 20 % et la probabilité d'être à la vitesse v3 est de 10 %. Dans ce cas, lorsque l'on mesurera 50 particules de ce type (qui sont toutes en état superposé avant cette mesure), on trouvera statistiquement 35 particules à v1, 10 à v2 et 5 à v3.

Par la suite, une particule ayant été mesurée (« on dit que son état a été projeté ou réduit », précise David Louapre), elle reste dans cet état « choisi », comme un objet presque classique pourrait-on dire. Sauf qu'elle l'a fait en suivant les lois des probabilités.

Stockage quantique, lecture classique

La superposition quantique est aujourd'hui à la base de l'informatique quantique.

Dans l'informatique quantique, un bit stocke une information en fonction de l'état, déterminé, dans lequel il est (1 ou 0). Un bit quantique - ou qbit - du fait du principe de superposition se trouve dans un état indéterminé. Il stocke à la fois un 1 et un 0.

Ceci étant, une fois la mesure du qbit effectuée (pour faire un calcul par exemple), celui-ci perd logiquement son état superposé. Il est projeté, ou réduit. En résumé, la lecture détruit la superposition quantique.

Cette définition a été mise à jour en janvier 2019

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