La théorie quantique

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Dernière mise à jour : 2026-05-05

 

 

Un ordinateur classique traite toutes les taches une part une, avec le bit aux valeurs 0 ou 1 comme unité élémentaire d’information [codage binaire]. Dans le cas du bit classique, le codage se fait par le passage ou non d’un courant électrique. Il passe (1) ou il ne passe pas (0).

 

En physique quantique, les propriétés physiques n'ont pas de valeurs aléatoires comme en physique classique, mais sont quantifiées : elles ne peuvent avoir que certaines valeurs discrètes... Un ordinateur quantique les mène en parallèle grâce à se trouver dans deux états en même temps : 0 ou 1 [comme le bit], OU 0 et 1 en même temps (cohérence quantique ou superposition : voir plus loin), caractéristique pour un bit quantique, le qubit. En "flottant" entre 0 et 1, les qubits permettent aux ordinateurs quantiques d'effectuer certaines tâches beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques. Qui plus est, dans le cas quantique, d’autres solutions sont possibles puisque les particules (qubits) ont plusieurs caractéristiques, par exemple leur spin (rotation sur eux-même : up et down, moment de l'impulsion : le spin up d'un électron envoie un signal énergétique différent à une particule de lumière que le spin down), leur polarisation lumineuse (à gauche ou à droite) ou leur niveau d’énergie (orbitales électroniques) . Cette diversité offre toute une palette de solutions pour fabriquer un qubit. Les ordinateurs quantiques, actuellement en cours de développement, utilisent comme qubits des atomes, des ions, des photons ou de petits anneaux constitués d’un matériau supraconducteur. Comme les photons n'ont ni charge ni masse, ils sont beaucoup moins sensibles aux interférences de leur environnement que les qubits classiques.

 

Avec seulement un nombre modeste de qubits, on peut effectuer des calculs gigantesques en parallèle.

 

Mais ce n’est pas tout :

 

La physique quantique nous explique comment la réalité se produit à l'échelle de ses éléments constitutifs, tandis que la théorie de la relativité d'Einstein nous éclaire sur la nature de l'espace et du temps. Dans les deux cas, il en ressort une image de la réalité qui n'est pas conforme à l'expérience que nous en avons à l'échelle humaine.

 

Ainsi, la physique quantique nous offre tout un arsenal de comportements que l'on ne peut que qualifier de très étranges : dualité onde-particule (électron), superposition d'états, relations d'incertitude, indétermination en l'absence de mesure, quantification, intrication...

 

Quantum : Le plus important en physique quantique, c'est qu'il existe une échelle minimale. C'est le quantum, la constante de Planck. Si vous continuez à zoomer, vous arrivez soudainement à une limite. Avant la physique quantique, tout le monde pensait qu'on pouvait toujours zoomer. La physique quantique a clarifié beaucoup de choses. La découverte qu'il existe une échelle minimale, qu'il existe des électrons, que la nature est constituée d'une sorte de blocs Lego, a résolu de nombreux mystères...

 

Dualité : la lumière n'est pas seulement une onde. Einstein a déduit la double nature (à la fois onde et particule) de la lumière d'une explication théorique de l'effet photoélectrique : un électron s'envole lorsqu'il absorbe un photon (particule de lumière, quantum) qui possède exactement l'énergie nécessaire pour l'expulser vers une orbite d'énergie plus élevée. Si l'énergie du photon est trop faible, l'électron reste sur place. En revanche, lorsque l'électron retombe sur une orbite de niveau d'énergie inférieur (totalement aléatoire), l'énergie est convertie en un photon qui est émis. 

 

Un peu plus tard, il s'est avéré que non seulement la lumière est constituée de particules. C'est le cas aussi pour la matière, et de manière universelle pour toutes les entités conventionnellement appelées "particules", qu'il s'agisse de lumière ou de matière (électrons, protons, neutrons, atomes...). Toutefois, les particules ne sont plus des objets ponctuels localisables, comme c'était le cas dans la représentation classique de la physique, mais des ondes discontinues dans des champs de probabilités.

 

Mais tout ce qui vibre est constitué de particules. Le son est créé par des ondes de pression qui se déplacent dans un milieu, tel que l'air, et qui nécessitent des vibrations pour produire ces ondes sonores. Un exemple bien connu de la manière dont les vibrations peuvent amplifier le son est l'action d'un tambour, où une feuille est tendue sur une cavité. Lorsque cette feuille est frappée, elle vibre et amplifie les ondes sonores dans l'air qui l'entoure.

 

 

Cohérence quantique :  En physique quantique, la cohérence quantique signifie que les particules subatomiques sont capables d’interagir entre elles. Ces ondes/particules subatomiques ne se contentent pas de connaître l’existence les unes des autres, mais sont également étroitement liées par des champs électromagnétiques communs, ce qui leur permet de communiquer entre elles. Lorsque ces ondes se mettent en phase (pulsent de manière synchrone), elles commencent à se comporter comme une seule et même onde. De nombreux effets étranges observés dans le monde quantique au niveau d’une onde isolée s’appliquent également à l’ensemble du système. Si un événement se produit au niveau d’une onde, cela a une influence sur toutes les autres ondes. La cohérence rend ainsi la communication possible. 

 

 

Délocalisation : signifie que l'énergie d'une particule de lumière entrante est "répartie" sur les excitons. Tous ces excitons forment un état quantique "cohérent" global qui obéit à une équation d'onde de Schrödinger (cohérence quantique ou superposition). Ces excitons se comportent comme une onde qui transporte un seul paquet d'énergie indivisible et qui arrive à destination pratiquement intacte. La mécanique quantique garantit donc que les excitons suivent toutes les voies possibles dans le labyrinthe de la chlorophylle, aussi fou que cela puisse paraître... En effet, si le processus de transfert d'énergie est également cohérent sur le plan quantique, de sorte que l'exciton se déplace comme une onde, il peut explorer simultanément tous les chemins possibles et n'emprunter que le chemin le plus efficace. La cohérence permet aux excitons de trouver le chemin le plus rapide vers le centre de réaction avant que l’énergie ne soit perdue sous forme de fluorescence.

 

 

Superposition (probabilitisme) : il s’agit d’une caractéristique réservée aux particules élémentaires (photons, électrons…) et aux atomes. Ces particules peuvent exister dans différents états (superposés). Un électron peut donc potentiellement posséder deux vitesses et être à trois endroits différents à la fois. Prenons un électron enfermé dans une boîte : sa nature quantique fait qu’il n’est pas présent en un endroit précis, mais qu’il se répartit dans toute la boîte, sous forme d’une probabilité de présence (principe de l’incertitude : voir "Théorie quantique (biochimie)"). Pour le localiser, il faut ouvrir la boîte : l’électron se fixe alors en un endroit précis. 

 

Selon la physique, si l'on ne sait pas où se trouve une particule, c'est qu'elle est "en superposition" : plusieurs états se produisent simultanément. Ce n'est pas que l'on ne sache pas où se trouve une particule, c'est simplement qu'elle n'a pas de position précise jusqu'à ce qu'une observation soit faite. L'observation d'une chose en modifie le caractère...

 

La physique quantique offre la possibilité d'envisager la superposition. Mais la superposition n'est peut-être pas réelle. C'est une astuce qui fonctionne dans un premier temps, mais qui ne touche pas aux états que nous voulons comprendre... Car comment les particules entrent-elles en collision les unes avec les autres ? Pourquoi vont-elles parfois par ici, et parfois par là ? Pourquoi présentent-elles un spin ? Nous avons encore besoin de nombreuses avancées pour nous rapprocher du niveau de compréhension que nous n'avons tout simplement pas aujourd'hui, même approximativement, en ce qui concerne les particules. C'est simple, la théorie ne peut pas me dire aujourd'hui où je dois regarder pour prédire à l'avance comment les particules se disperseront après une collision.

 

Le principe de superposition des états manifeste l'indéterminisme intrinsèque de la physique quantique, lequel se traduit par son caractère probabiliste. Le hasard est constitutif de la physique quantique. Cet indéterminisme est irréductible et fondamental, bien que totalement contre-intuitif comme tente de le montrer - à une échelle macroscopique - l'expérience de pensée du chat de Schrödinger. En effet, l'argumentation de Schrödinger ne tient pas car elle applique au monde macroscopique (le chat) des lois qui n'interviennent que dans le monde microscopique (atomique et subatomique).

 

 

Intrication : une autre propriété étrange qui s’observe dans la physique quantique. L'intrication est une sorte de lien quantique (ou une sorte de cohérence) qui entrelace les destins des particules. Il fait référence aux états de deux particules ou plus qui sont interdépendantes, quelle que soit la distance qui les sépare. C'est l'une des nombreuses caractéristiques contre-intuitives du paysage subatomique, dans lequel des particules telles que les électrons et les photons se comportent à la fois comme des particules et comme des ondes, occupent plusieurs positions et états à la fois et traversent des barrières apparemment infranchissables (voir plus loin : Effet tunnel).

 

Deux particules intriquées sont liées de telle sorte que toute action sur l’une (p.ex. un changement de spin, de vitesse…), entraîne immédiatement une action sur l’autre. Et cela, quelle que soit la distance qui les sépare. Cette propriété lie ainsi les objets quantiques entre eux, sans intermédiaire d’un fil. Les processus à cette échelle sont décrits dans le langage mathématique complexe de la mécanique quantique et produisent souvent des effets qui semblent défier le sens commun. Cela semble impossible, mais des preuves ont été accumulées depuis des décennies…

 

Les chercheurs ont ainsi réussi à faire « communiquer » deux atomes dans des puces en silicium. Il s'agit plus précisément des noyaux atomiques de deux atomes de phosphore situés à une distance de vingt nanomètres l'un de l'autre. Les particules sont « intriquées », ce qui signifie qu'un changement dans l'état d'un noyau atomique a un effet immédiat sur l'autre, quelle que soit la distance qui les sépare (Andrei Stiru dans EOS 10 2025). Selon les chercheurs, cette méthode est évolutive. De plus, cette technique est compatible avec les conceptions de puces existantes.

 

L'intrication a également ceci de particulier qu'elle permet de "téléporter" une information quantique (qubits), portée par un photon, par exemple. Via une sorte de fax quantique : communiquer à distance les propriétés physiques d'une particule à une autre identique.

 

Grâce à l’intrication, l’efficacité des qubits va augmenter de manière exponentielle. Prenons 2 qubits. Nous avons vu que chacun peut se trouver dans une combinaison de 0 et de 1. Si en plus ils sont intriqués, ils forment un seul système, indissociable, pouvant prendre 4 valeurs simultanément. Sachant que le nombre d’états pris simultanément augmente vertigineusement avec le nombre de qubits intriqués : 3 qubits, 8 états ; 4 qubits, 16 états; 5 qubits, 32 états…

 

Il reste toutefois un problème : tout est déjà « naturellement » intriqué : à cet instant précis, vous êtes quelque peu intriqué avec l’air qui vous entoure, avec la surface sur laquelle vous vous tenez debout ou assis, avec l’écran sur lequel vous lisez ces mots. Cet intriquage naturel d’un système quantique avec son environnement immédiat est connu sous le nom de "décohérence". Le caractère quantique de la plupart des objets est ainsi anéanti. Un tel état est fatal pour la capacité d’un ordinateur quantique à effectuer des calculs. Afin de conserver le contrôle crucial sur les qubits et leur intrication, les processeurs quantiques doivent donc être isolés du reste du monde. Pour éviter la décohérence, il faut une température ambiante égale au zéro absolu et l’utilisation de matériaux supraconducteurs, tels que l’aluminium ou le tantale, qui ne présentent aucune résistance électrique à des températures extrêmement basses, permettant ainsi la formation de qubits supraconducteurs. Rien n'est donc acquis d'avance dans le monde merveilleux de la physique quantique.

 

 

Effet tunnel : est un effet tout aussi étrange. Il permet aux électrons et à d'autres particules de franchir une barrière sans posséder suffisamment d'énergie pour le faire. La probabilité de réussite dépend de l'énergie, de la taille et de l'étendue de la barrière. En 2022, des particules ont été surprises en train de creuser un tunnel... (Fr Konitzer, Université d'Innsbruck) . En biochemie, cet effet permet à des électrons de franchire une "barrière" de potentiel alors qu'ils ne possèdent pas une énergie suffisante pour la franchir (ce qui est strictement interdit e  physique classique, mais possible en physique quantique. L'effet tunnel permet aux mitochondries de produire suffisamment d'énergie pour que le métabolisme et la respiration continuent à fonctionner.

 

L'effet tunnel est une conséquence directe de la nature probabiliste de l'onde associée à l'évolution d'une particule quantique. En effet, la nature ondulatoire de la particule lui permet de se propager à travers la barrière comme une onde, plutôt comme une particule classique. L'effet tunnel a été appliqué dans les domaines de la microscopie et de l'imagerie, où il est utilisé pour la visualisation des structures moléculaires à l'échelle nanométrique. Des recherches montrent que les électrons qui se déplacent dans le système se comportent comme s'ils formaient une seule particule. Cette petite particule « traverse » la barrière. Cet effet ne s'applique pas lorsqu'il s'agit de plusieurs particules, ce qui explique pourquoi, dans la vie quotidienne, on ne voit jamais personne se déplacer à travers les murs et les sols...

 

 

Des mondes multiples

 

Comment passe-t-on, alors que les lois physiques semblent différentes,

 

- du monde quantique au monde réel?

- du monde microscopique au monde macroscopique?

- d'une physique probabiliste à une physique déterministe?

 

Comment se fait le lien entre les deux?

Comment passe-t-on du niveau le plus fondamentale de la matière au niveau supérieure du phénomène?

Comment résoudre les problème de la détermination par la mesure?

Comment sauver les phénomènes en rendant compte de leur émergence?

 

Comment concilier la gravité de la physique classique avec l'univers quantique ?
Comment créer une gravité quantique ?

 

Si nous voulons un jour être capables de bien appréhender l'univers dans son ensemble à travers un concept, il faudra qu'une grande théorie voie le jour, capable d'expliquer d'un seul coup toutes les forces fondamentales de la nature.

 

 

Il existe d'autres théories de la physique quantique :   La théorie des "mondes multiples" (Hugh Everett, 1957) postule que les possibilité que tolère la théorie quantique et qui s'effondre pour n'en laisser émerger qu'une seule dans le monde macroscopique se réalisent effectivement dans des mondes parallèles, actualisant autant de mondes et donc autant d'observateur n'ayant accès qu'au leur. L'observateur n'entraîne pas l'effondrement de fonction d'onde et ne détruit pas les autres options mais les envoie dans une série d'univers parallèles.    Dans son hypothèse des "mondes multiples", à chaque fois que nous fixons une des caractéristiques d'un photon par la mesure, l'Univers se sépare en deux : dans un monde la lumière est une onde; dans l'autre, une particule. Dans son univers le chat de Schrödinger est vivant à l'ouverture de la boîte; mais mort dans un autre univers. Ainsi, il n'y a pas d'aléatoire dans les résultats d'une mesure quantique: chaque résultat existe bel et bien, mais chacun dans son univers parallèle aux autres. Le problème de l'indétermination quantique est éliminé, mais au prix de la postulation d'univers parallèles, postulation qui a donné par ailleurs la théorie du "multivers", explication du principe anthropique... (phénomène dû aux activités humaines)   L'éffondrement de la fonction d'onde se fait si bien que toutes les possibilités, sauf une - le résultat - ont disparu. C'est à dire que le comportement quantique "disparaît" dans le monde macroscopique. C'est l'interaction du système quantique avec l'environnement de la fonction d'onde réduit à néant la possibilité d'états superposées (décohérence), obligeant la particule à adopter un comportement "classique" dans le monde macroscopique.

 

 

 

 Si vous avez du mal à suivre, arrêtez d'essayer de tout comprendre. En physique quantique, il est impossible de tout comprendre. À un moment donné, il faut simplement accepter les choses telles qu'elles sont. Et puis continuer.