Physique quantique : Serge Haroche, le lauréat du prix Nobel qui étudie les mystères de la lumière au niveau subatomique

Le physicien Serge Haroche a consacré sa vie à l'étude de la mécanique quantique, le monde des particules subatomiques où se produisent des phénomènes qui défient l'intuition.

Il s'intéresse notamment aux photons, ces particules qui transportent la lumière et permettent de détecter l'ensemble de l'univers observable.

Ses recherches dans ce domaine lui ont valu le prix Nobel de physique en 2012, qu'il a reçu avec son collègue et ami David J. Wineland.

L'un des grands problèmes de l'étude des particules plus petites qu'un atome, comme les photons, est qu'elles perdent leurs propriétés quantiques dès qu'elles interagissent avec le monde extérieur.

En d'autres termes, tout effort pour comprendre le monde quantique échoue dès que l'on tente de l'observer.

Haroche et Wineland ont cependant trouvé un moyen d'observer et de mesurer des particules quantiques individuelles sans les détruire.

De telles réalisations ont permis d'arriver à une percée dans l'une des grandes promesses de la technologie : l'informatique quantique.

Dans cet entretien, Haroche évoque l'importance de la lumière dans la résolution des énigmes de l'univers, les mystères que recèlent encore les photons et la proximité d'une véritable révolution dans le domaine de l'informatique quantique.

Né en 1944 à Casablanca, au Maroc, Haroche est de nationalité française.

Il est professeur émérite au Collège de France et auteur du livre "La lumière révélée : du télescope de Galilée à l'étrangeté quantique".

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Vous affirmez que pour répondre aux questions les plus profondes de l'univers, nous devons comprendre la nature de la lumière. Que voulez-vous dire ?

Tout d'abord, la plupart des informations que nous recevons du monde extérieur proviennent de la lumière.

Qu'il s'agisse de la lumière visible des étoiles et des galaxies, ou de la lumière invisible telle que les ondes radio, les rayons ultraviolets, les rayons X ou tout autre élément du spectre électromagnétique.

Deuxièmement, tous les progrès de la science moderne, je dirais depuis les XVIe et XVIIe siècles, proviennent de la compréhension des phénomènes naturels impliquant la lumière.

Et troisièmement, les deux grandes révolutions du XXe siècle, la révolution quantique et la théorie de la relativité, découlent des grandes questions que nous avons posées sur l'interaction de la lumière avec la matière.

Cela a conduit à une révolution technologique, car tous les instruments qui ont changé nos vies, comme les ordinateurs, les lasers, l'Internet, le GPS, proviennent tous de la connaissance du monde microscopique que nous apportent la physique quantique et la théorie de la relativité.

Quelles sont les grandes questions sur la lumière qui restent sans réponse ?

La théorie quantique nous donne une bonne explication des forces de la nature : électromagnétique, nucléaire forte et nucléaire faible.

Mais il existe une force qui échappe à ce modèle : la gravité (décrite dans la théorie de la relativité générale d'Einstein).

Par conséquent, si vous voulez comprendre en profondeur ce qu'est la lumière, nous avons besoin d'une théorie qui réunisse la physique quantique et la théorie de la relativité générale d'Einstein.

C'est ce dont nous avons besoin.

Nous ne savons pas exactement ce qui se passe, par exemple, lorsque la lumière est piégée dans un trou noir. Nous ne savons pas ce qu'il advient d'un photon lorsqu'il est soumis à une gravité aussi extrême.

Nous avons besoin d'une théorie qui réconcilie la gravité avec la physique quantique.

Il est intéressant de noter que ces deux théories ont été élaborées par Einstein au début du XXe siècle et qu'elles ne sont toujours pas compatibles.

Certains pensent qu'il faut changer quelque chose dans les deux théories, ou au moins dans l'une d'entre elles, pour les rendre compatibles et parvenir à une théorie du tout.

Il s'agit d'une question très importante en cosmologie, car il s'agit de questions liées aux premiers stades de l'univers. Cela nous aiderait à mieux comprendre l'origine de l'univers et son évolution.

Alors que vous étudiez les énigmes de la lumière, deux des grands mystères de la physique se trouvent paradoxalement à l'autre extrême : la matière noire et l'énergie noire. La lumière peut-elle nous aider à lever le voile sur ces composantes de l'univers ?

Ces termes sont intéressants.

Si nous parlons de matière noire et d'énergie noire, cela signifie qu'il s'agit de quelque chose qui ne contient pas de lumière.

En fait, la matière noire est une forme de matière qui n'interagit pas avec la lumière, c'est pourquoi nous ne l'avons pas encore détectée.

La lumière joue donc un rôle important... Pour l'instant, cette question reste sans réponse.

C'est pourquoi il est si important de trouver le lien entre la relativité générale et la physique quantique, car nous pensons qu'il serait utile de le comprendre pour obtenir une réponse.

La situation est très similaire à celle que nous avons connue au XIXe siècle, lorsque les gens parlaient de l'éther, un milieu supposé mystérieux dans lequel les ondes se propageaient.

Einstein a résolu le mystère, il a dit que l'éther n'existait pas, que nous n'en avions pas besoin pour comprendre l'univers.

Il se passera peut-être quelque chose de similaire avec la matière noire.

Si nous modifions cette théorie, le problème de la matière noire disparaîtra ou sera remplacé par quelque chose d'autre.

Mais nous ne le savons pas encore, et c'est un gros problème.

Nous avons besoin de preuves et il est difficile de les trouver, car elles peuvent nécessiter l'utilisation d'accélérateurs de particules beaucoup plus puissants que ceux qui peuvent être construits actuellement.

Mais nous progressons et nous avons bon espoir de pouvoir répondre à ces questions dans les prochaines décennies.

L'informatique quantique est l'une des promesses de l'avenir technologique. De temps à autre, une entreprise informatique affirme avoir atteint la "suprématie quantique". Au-delà de la concurrence commerciale, quel est le véritable état de l'informatique quantique ?

L'informatique quantique fait l'objet d'un grand battage médiatique.

Au cours des vingt ou trente dernières années, nous avons appris à manipuler des systèmes quantiques individuels, à isoler un atome ou un photon et à les faire interagir dans des conditions très précises.

L'étape suivante consiste à le faire avec un grand nombre d'atomes ou de particules.

Chaque atome peut avoir un bit d'information.

Un atome peut être dans deux états différents, que nous appelons 1 ou 0, mais lorsque vous les faites interagir, vous obtenez une machine quantique qui forme des cubes d'information.

La différence entre une machine quantique et une machine classique est que la machine quantique peut se trouver à la fois dans l'état 1 et 0, ce que l'on appelle une superposition d'états.

En principe, ce phénomène peut être utilisé pour construire des machines beaucoup plus puissantes que les ordinateurs classiques, qui ne peuvent être que dans l'état 1 ou 0, mais jamais en superposition.

Le problème des machines quantiques est qu'il est très difficile de maintenir cet état de superposition.

Lorsque vous perdez cette capacité à être dans deux états à la fois, nous parlons de décohérence, car vous perdez la cohérence quantique (et passez au monde classique).

Cette décohérence est le phénomène fondamental qui explique pourquoi le monde macroscopique est classique. C'est ce qui explique qu'il est impossible pour vous de me voir à deux endroits différents en même temps.

Un ordinateur quantique doit donc être capable de faire quelque chose de très paradoxal : il doit préserver la cohérence quantique, ce qui signifie protéger le système du monde classique.

Mais, en même temps, la machine doit pouvoir se connecter au monde classique, parce que nous sommes un macro-monde.

Dès que nous essayons d'interagir avec cette machine quantique, nous provoquons un grand nombre de décohérences.

Jusqu'à présent, personne ne sait comment résoudre ce problème.

On fabrique des machines que j'appellerais des "machines-jouets". Google, par exemple, a créé une machine de 53 cubes, et on peut aller jusqu'à quelques centaines de cubes, mais pour qu'elle soit utile, il faut des millions de cubes.

Plus le nombre de cubes est élevé, plus la décohérence devient compliquée. À l'heure actuelle, personne ne sait comment surmonter la décohérence.

Mon sentiment est que nous sommes encore dans le domaine de la science fondamentale, pas de la science appliquée, et nous ne savons pas ce qui sera possible ni combien de temps cela prendra.

Cette recherche est fascinante et nous apprenons beaucoup en cours de route, mais il n'est pas non plus nécessaire de faire beaucoup de battage médiatique, car cela peut avoir l'effet inverse si les promesses ne sont pas tenues.

Les entreprises utilisent des termes grandiloquents comme "suprématie quantique", qui n'ont guère d'autre signification que les définitions qu'elles utilisent pour montrer que leurs machines sont meilleures que celles des autres.

J'ai vu dans une conférence que vous faisiez référence aux multivers, un terme inspiré de la physique quantique et largement utilisé dans la science-fiction.

Vous êtes très perspicace si vous avez trouvé une conférence dans laquelle j'en parle, car ce n'est pas une idée que j'aime.

En physique quantique, chaque fois qu'il y a une interaction entre des particules, le résultat de cette interaction est aléatoire.

Il est impossible de prédire précisément ce qui va se passer. La seule chose que l'on peut faire, c'est prédire les probabilités que certaines choses se produisent.

Ainsi, si vous excitez un atome, il émettra un photon. Mais la position de ce photon, lorsque vous le détecterez, sera aléatoire. Tout ce que vous pouvez faire, c'est trouver des probabilités à l'intérieur d'une fourchette de temps.

Certains disent que ce que vous détectez n'est qu'un des résultats possibles, et que les autres résultats se produisent peut-être dans un autre univers.

C'est ce que l'on appelle l'idée de multivers se déployant simultanément, où nous habitons simplement l'un de ces univers.

Bien sûr, il n'y a aucun moyen de tester cela expérimentalement, et je dirais donc qu'il ne s'agit que d'une interprétation, et non d'un fait scientifique.

Certains aiment y penser, moi non, parce que c'est accablant.

Cela signifierait que chaque seconde, chaque fraction de seconde où quelque chose se produit dans l'univers, chacun de ces événements conduirait à la création d'un univers parallèle.

Je pense qu'il s'agit simplement d'un jeu d'esprit qui fonctionne très bien pour la littérature ou la science-fiction.

Il existe une autre idée sur les multivers, à savoir que nous vivons dans une bulle, mais qu'il existe d'autres bulles dans lesquelles d'autres univers se développent.

Mais, là encore, il ne s'agit que de spéculations.

Pour moi, en tant que physicien expérimental, le principal critère pour trouver la vérité, si elle existe, est de pouvoir faire des expériences et des observations.

En parlant de science-fiction, pensez-vous que nous, les humains, pourrons un jour voyager à la vitesse de la lumière ?

Non.

La théorie de la relativité est assez solide, elle a été testée de manière très précise.

Ce qu'elle nous dit, c'est que la vitesse de la lumière est la vitesse maximale possible, et elle nous dit aussi que pour s'approcher de cette vitesse, il faut beaucoup d'énergie.

Si l'on veut qu'un objet de grande taille atteigne 99 % de la vitesse de la lumière, il faut toute l'énergie générée par tous les phénomènes physiques de la Terre.

Il y a donc des limites physiques, mais même si nous atteignions la vitesse de la lumière, il faut garder à l'esprit que l'étoile la plus proche de nous se trouve à quatre années-lumière, et que les étoiles où, par exemple, il pourrait y avoir une autre civilisation, pourraient se trouver à des millions d'années-lumière.

J'ai donc le sentiment que voyager en dehors du système solaire, pour ne pas dire en dehors de notre galaxie, est un rêve de science-fiction.

Cela ne veut pas dire que nous ne pouvons pas avoir de résultats et d'observations.

L'exploration des exoplanètes, par exemple, est un moyen fantastique de découvrir si nous sommes les seuls dans l'univers.

C'est un bon exemple de ce que j'appelle la "science inutile", car il est peut-être inutile d'essayer de voyager à la vitesse de la lumière, mais en essayant, on peut créer des instruments qui peuvent être utiles.

De même, toutes les applications qui ont changé notre vie, comme les lasers, l'IRM, le GPS, les téléphones portables, proviennent de la compréhension du fonctionnement de la matière à des échelles microscopiques.

Tout cela aurait été impossible sans les sciences fondamentales, souvent considérées comme inutiles.