Sommaire pour HS No. 318 de Science & Vie

“Il y a deux types de révolutionnaires, écrit l’écrivain Roger Martin du Gard : les apôtres et les techniciens.” Il semble qu’avec la physique, nous soyons passés de l’ère des premiers à celle des seconds. Transistors, lasers, GPS : tout ça, c’est la “première révolution quantique” et c’est du concret. S’il est une théorie qui a vraiment changé nos vies, c’est bien la physique quantique. Le comble pour une mécanique à laquelle personne n’entend rien, physiciens exceptés – et encore. Prochaine étape : l’ordinateur quantique, une machine à la puissance de calcul potentiellement infinie. Pour y arriver, il faut maîtriser la technologie des qubits, les particules nanoscopiques à la base du calcul quantique. En la matière, les annonces sensationnelles se succèdent à un train d’enfer. Juillet 2024 : la société…

DÉCOHÉRENCE QUANTIQUE Aussi appelée effondrement de fonction d’onde, c’est un phénomène par lequel un système quantique, sous l’effet de son interaction avec l’environnement, perd sa cohérence quantique. Sa superposition d’états est détruite et le système est alors régi par les lois de la physique classique. DUALITÉ ONDE-PARTICULE Selon ce principe, une particule peut présenter, suivant la situation, un comportement ondulatoire ou corpusculaire. EFFET TUNNEL Imaginez que votre voiture est dans un garage avec la porte fermée. Dans le monde quantique, elle pourrait franchir cet obstacle et se retrouver de l’autre côté sans avoir à ouvrir la porte. En mécanique quantique, les particules peuvent traverser des barrières de potentiel même si leur énergie est inférieure à l’énergie nécessaire pour les franchir. ÉTAT QUANTIQUE Il représente la superposition des différents états dans…

LA TÉLÉPORTATION LA FICTION : dans la série Netflix Le Problème à 3 corps, une civilisation extraterrestre établit avec l’humanité une communication instantanée en se basant sur l’intrication de particules. Ce phénomène peut aussi justifier la téléportation, comme dans Star Trek. LA RÉALITÉ : l’intrication est l’un des phénomènes les plus contre-intuitifs, et pourtant bien réels, de la physique quantique. Lorsque deux particules sont intriquées, si l’on mesure l’état de l’une (par exemple son spin), cela modifie instantanément l’état de l’autre. Il suffirait donc de jouer sur la valeur du spin des particules pour communiquer des informations en binaire (0 ou 1) à travers l’espace. Sauf que… en pratique, cette idée ne marche pas : “Dans le monde quantique, le résultat de la mesure des particules est toujours aléatoire, donc…

Comment expliquer l’efficacité de la photosynthèse à capter l’énergie lumineuse ? De quelle manière les oiseaux migrateurs perçoivent-ils le champ magnétique terrestre en vol ? D’où viennent les mutations de l’ADN ? Autant de questions traitées par la biologie quantique, jeune champ de recherche interdisciplinaire regroupant pêle-mêle physiciens, biologistes, chimistes et mathématiciens. Le terme de “biologie quantique” a de quoi surprendre : serait-ce une hérésie ? Les scientifiques s’accordent tous à reconnaître le comportement quantique de la matière à l’échelle atomique, mais les phénomènes biologiques à une échelle plus grande – dite macroscopique – relèvent a priori de la mécanique classique. C’est cet a priori que questionne la biologie quantique : “Il s’agit de déterminer si des mécanismes biologiques exploitent des effets quantiques non triviaux”, résume Michael Thorwart, professeur à…

Comment expliquer les rémissions de cancers, de maladies cardiaques ou chroniques ? Peut-on accéder à un pouvoir de guérison supérieur ?” Dans son livre best-seller Le Corps quantique, les fabuleux pouvoirs de guérison de votre esprit (1989), Deepak Chopra, endocrinologue indo-américain, promet des guérisons miraculeuses grâce aux “interactions corps-esprit” et à la “médecine quantique”. Pour justifier cet usage lexical, il s’appuie sur le concept de “biophotons” développé par le biophysicien allemand Fritz-Albert Popp, qui soutient que des photons sont émis par le corps humain. Pour Deepak Chopra, c’est assez pour avancer que le corps et l’esprit dégagent un “champ vibratoire” dont le rééquilibrage permet de rester en bonne santé. “Pour le grand public, la mécanique quantique a quelque chose de mystérieux et complexe”, analyse Aymeric Delteil, chercheur CNRS au sein…

C’est une scène mythique du film Interstellar : une équipe d’astronautes emprunte un trou de ver pour voyager de Saturne vers une autre galaxie. Or, ces raccourcis dans l’espace-temps n’obnubilent pas que les réalisateurs. De nombreuses publications récentes, écrites par de très sérieux physiciens, explorent la vraisemblance de ces objets aussi fascinants qu’hypothétiques. Au point qu’en 2021, Juan Maldacena, professeur au prestigieux Institut des études avancées à Princeton – où Einstein a travaillé jusqu’à la fin de sa vie –, a carrément intitulé l’un de ses articles “Trous de ver traversables par des humains” (Humanly Traversable Wormholes). Attention : ces spécialistes n’ont pas perdu les pédales et ne s’apprêtent pas réellement à ouvrir des brèches dans la toile de l’Univers. Mais alors, quelle est la portée de ces travaux ? TROUS…

L’impact des futures technologies quantiques sur la demande énergétique pourrait être colossal, à la manière des IA qui entraînent d’ores et déjà pénuries de composants stratégiques et hausses brutales de la consommation électrique. On estime ainsi que la demande électrique des centres de données aux États-Unis devrait doubler d’ici à 2030. Comment éviter que l’essor des qubits n’induise un “chaos quantique” ? Pour Alexia Auffèves, directrice de recherche au Majulab de Singapour et promotrice de la Quantum Energy Initiative, “il faut intégrer le coût énergétique dans les modèles dès maintenant, et choisir d’optimiser les processeurs quantiques en fonction de leur efficacité énergétique, plutôt qu’en fonction du temps de calcul”. L’idée peut sembler simple sur le papier, mais elle est complexe à mettre en place. Car l’impact énergétique sera lié à…

SVHS : Que sait-on de l’ampleur du déclin des insectes ? Philippe Grandcolas :Les observations de terrain menées dans le monde entier depuis une trentaine d’années documentent de manière indiscutable un effondrement des populations d’insectes dans les paysages mixtes agro-industriels, même si certaines espèces généralistes ou invasives peuvent localement gagner du terrain. En Europe, ce déclin est de l’ordre de 70 % à 80 %. L’estimation de tendances globales est difficile : avec plus de 1 million d’espèces d’insectes répertoriées, il est impossible de suivre l’évolution de chacune. Laurence Gaume :Les insectes suscitent moins d’intérêt que les oiseaux, par exemple, et les données les concernant sont lacunaires, hétérogènes dans le temps, dans l’espace et selon les groupes taxinomiques. C’est en Europe et aux États-Unis que leur déclin est le plus…

C’est la promesse du projet de stockage Northen Lights, associant les géants pétroliers Equinor, Shell et TotalEnergies. En septembre et novembre dernier, l’entreprise a en effet présenté les deux briques principales de son dispositif de captage et de stockage de CO₂, ou CCS. La première brique, c’est le terminal terrestre d’Øygarden, à l’ouest de Bergen, sur les rives de la mer du Nord, au sud-ouest de la Norvège. C’est ici que le CO₂, préalablement liquéfié à une température minimale de – 35°C, et une pression maximale de 19 barg, sera acheminé par bateau, puis injecté, via un long pipeline, dans un aquifère salin à 2 600 m sous les fonds marins. La capacité de stockage annuelle annoncée est d’environ 1,5 million de tonnes dans un premier temps, mais elle pourra…

SVHS : Comment vivez‑vous l’engouement actuel autour de la quantique ? Philippe Grangier : L’apparition depuis une dizaine d’années de gros investisseurs et d’acteurs privés a métamorphosé la recherche. Les nombreuses startup contribuent beaucoup au concours d’idées, c’est très vivifiant. Cependant, tout cela est le fruit d’une évolution pas si récente. La publication de l’algorithme du mathématicien Peter Shor, en 1994, a constitué un premier tournant. Il montrait qu’un hypothétique ordinateur quantique pourrait craquer en un temps record les clés cryptographiques des communications actuelles, basées sur la factorisation de nombres premiers. Les implications stratégiques ont commencé à interpeller politiques, banques et industriels. La seconde grosse étape remonte à 2014 avec la première publication scientifique des équipes de Google sur l’ordinateur quantique. Le fait que les Gafam investissent massivement dans le…

La mécanique quantique est un peu une histoire de famille pour les physiciens, rien de plus normal par conséquent qu’elle soit marquée dès l’origine par un désaccord entre Niels Bohr et Albert Einstein. La cause de leur discorde tient aux fondements mêmes de la mécanique quantique, et à une question de philosophie des sciences : qu’est-ce que le réel ? “Pour Niels Bohr, il n’était pas fondamental d’y réfléchir, car selon lui, ce qui se passait dans le monde quantique n’était pas réel”, résume le physicien Daniel Hennequin, du laboratoire PhLAM de Lille. “Ce qui dérangeait fondamentalement Einstein.” Car même si chaque “monde” est déterminé par des équations bien établies (physique classique ou fonction d’onde), c’est le passage du monde quantique au nôtre qui reste le point de discorde. La…

Les tardigrades sont réputés invincibles. Ces animaux extrêmophiles de moins de 1 mm de long survivent à toutes les conditions de température et de pression, à la privation de nourriture et même au vide spatial ! En 2022, des chercheurs de l’université technologique Nanyang de Singapour ont voulu utiliser cette résistance hors du commun pour mener une expérience tout aussi exceptionnelle : ils ont cherché à isoler radicalement l’animal du monde extérieur, tout en ralentissant au maximum son métabolisme afin de le plonger dans un état quantique sans qu’il soit perturbé. Résultat : ils assurent avoir réussi à intriquer (voir lexique p. 23) une de ces bestioles avec un qubit ! Mais qu’est-ce que cela veut dire ? S’ils ont eu cette drôle d’idée, c’est pour tester les limites de…

SVHS : Avant l’élaboration de la mécanique quantique et de la relativité générale, quelles lois physiques prévalaient ? Etera Livine : Tout était décrit par la mécanique classique, développée par Newton, Galilée, Lagrange, Hamilton et d’autres. On s’en servait pour décrire aussi bien le mouvement des planètes que celui des particules. Barak Shoshany : Dans ce cadre, l’espace et le temps sont les mêmes pour tout le monde. Mais beaucoup de problèmes étaient non résolus avec la mécanique classique. SVHS : Lesquels ? B.S. : L’effet photoélectrique, qui décrit l’émission d’électrons par un matériau sous l’action de la lumière. La mécanique classique prédit que plus la lumière est brillante, plus les électrons sont éjectés rapidement ; que plus la fréquence lumineuse est élevée, plus d’électrons sont éjectés ; et que…

En 2024, plusieurs équipes dans le monde ont réussi à réaliser la téléportation d’information sur des distances supérieures à 10 km dans des zones urbaines : en Chine, au centre de recherche de Hefei ; en Europe, à l’université de Delft ; et aux États-Unis, à l’université de Harvard. “C’est une prouesse qui ouvre la voie à un futur internet quantique, car ils ont pu utiliser ce que l’on appelle des mémoires quantiques pour augmenter les distances. Il sera possible de connecter des ordinateurs quantiques, mais aussi de communiquer via des réseaux ultra sécurisés, explique Sophie Hermans, chercheuse au Caltech (California Institute of Technology). Mais avant cela, il faudra surmonter de nombreux obstacles”, ajoute-t-elle. En téléportation quantique, un état quantique inconnu est transmis d’un endroit, appelé l’émetteur – nommons-le Alice…

Oui, et le mystère a été levé grâce à l’analyse du lac Enigma. Un lac situé sur la terre Victoria, à l’est de l’Antarctique, que l’on pensait entièrement gelé. Or, une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l’Institut italien des sciences polaires a détecté une colonne d’eau liquide stratifiée de 12 m de profondeur, isolée par une glace de 11 m d’épaisseur au-dessus d’elle. Des analyses chimiques, effectuées sur des prélèvements réalisés durant les étés 2019 et 2020, ont révélé la présence d’une diversité microbienne dominée par les Patescibacteria, des bactéries ultra petites et extrêmement simples. Celles-ci ne se retrouvent quasiment pas dans les lacs des vallées sèches de l’Antarctique comme ceux de McMurdo ou d’Untersee, ce qui tend à indiquer la présence de réseaux trophiques différents. L’étude, publiée…

Le mercure, en particulier sa forme organique, le méthylmercure (MeHg), est un polluant neurotoxique qui peut s’accumuler dans les chaînes alimentaires terrestres et marines. Mais certains des prédateurs au sommet de la chaîne alimentaire, comme les pétrels géants, très exposés au mercure, ont développé deux mécanismes pour éliminer le méthylmercure. Le premier au moment de la mue des plumes, en éliminant le neurotoxique fixé sur la kératine ; le second, en produisant un composé minéral inerte non toxique à base de sélénium : le séléniure de mercure, appelé tiémannite. Ce dernier permet la détoxication du méthylmercure et protège les organes. Mais il semblerait que les manchots empereurs, prédateurs intermédiaires se nourrissant essentiellement de calamars et de poisson, ont une troisième arme secrète : le Hgdithiolate. Un complexe retrouvé habituellement chez…

LA DUALITÉ ONDE-CORPUSCULE LES PYRAMIDES DE PORT-COTON, BELLE-ÎLE, CLAUDE MONET (1886) Nora Berrah, professeur émérite de physique, chaire d’excellence internationale Blaise-Pascal, coauteure de Physique quantique, le guide de référence (éd. Trédaniel). “Dans Les Pyramides de Port-Coton, nous explique Nora Berrah, si l’on regarde l’eau, on y voit des ondulations à la surface de la mer : l’eau est donc une onde qui se propage. Mais si l’on décide de regarder de plus près, comme le ferait un chimiste ou un physicien, on observe que l’eau est composée de molécules H2O qui se comportent comme de la matière. Cette différence dépend de la manière dont on observe cette mer : onde ou matière ? Dans le concept de la dualité onde-corpuscule en physique quantique, c’est la même chose. Une particule peut…

Facta est lux, et la Lumière fut, certes… mais qu’est-ce que c’est ? De nos jours, les physiciens la décrivent comme un rayonnement électromagnétique, composé de particules énergétiques élémentaires, les photons. Cette description englobe la lumière visible, les UV, les infrarouges et les ondes radio. Bien loin de la vision des premiers savants ! “Les Grecs pensaient que la lumière était émise par nos yeux”, rappelle Daniel Hennequin, physicien au laboratoire optique PhLAM de Lille. “Ce concept d’‘extramission’ rendait réel et tangible uniquement ce sur quoi notre regard se portait…” Un peu comme l’allégorie de la caverne chez Platon, dans laquelle la lumière s’avère métaphore de la vérité. Au Moyen Âge, vers l’an 1000, le savant arabe Ibn al-Haytham propose, dans son Livre de l’optique, que la lumière provient des…

Pour Alexander Smith, physicien au Saint Anselm College et au Dartmouth College, aux États-Unis, un système quantique voit le temps s’écouler de manière différente selon la vitesse à laquelle il se déplace. Pour comprendre, revenons d’abord à la relativité restreinte. L’une des conclusions les plus étonnantes de cette théorie énoncée en 1905 par Albert Einstein est que notre conception du temps, telle qu’on se l’imagine depuis des siècles, est erronée. Il n’existe pas un seul et unique temps qui s’écoule pour tous et partout à la même vitesse. “Le temps est en fait quelque chose de personnel, en ce sens que chacun possède sa propre horloge qui mesure ce que l’on appelle son temps propre, décrit Alexander Smith. Et ce temps propre s’écoule différemment selon la vitesse à laquelle on…

Représentez-vous le volume de la cathédrale Notre-Dame de Paris intégralement rempli d’une eau extrêmement pure. Imaginez maintenant que ses parois soient tapissées de 40 000 capteurs dernier cri, conçus pour capter les infimes signaux lumineux émis lorsqu’une particule bien particulière frappe les molécules d’eau. Cette expérience incroyable va bientôt voir le jour : elle s’appelle Hyper-Kamiokande, et doit être lancée au Japon en 2027. Elle en dit long sur la détermination des physiciens à percer définitivement les secrets du neutrino. C’est que cette minuscule particule, produite en permanence au sein des étoiles, mais aussi par la radioactivité naturelle, occupe une place à part dans le bestiaire des particules élémentaires que l’on appelle “modèle standard”. Depuis sa détection en 1956, elle recèle en effet deux grands mystères dont la résolution pourrait…

Comment la science peut-elle expliquer l’origine de la conscience, soit la “connaissance, intuitive ou réflexive immédiate, que chacun a de son existence et de celle du monde extérieur”, selon la définition du Larousse ? Parmi les théories les plus audacieuses figure l’“orchestrated objective reduction” (Orch OR), ou “réduction objective orchestrée” en français, proposée dans les années 1990 par le physicien (et lauréat du prix Nobel en 2020) Roger Penrose et l’anesthésiste Stuart Hameroff. Cette hypothèse lie la conscience à des phénomènes quantiques se déroulant dans des structures microscopiques des neurones : les microtubules. L’idée maîtresse d’Orch OR repose sur la superposition quantique, un phénomène où une particule peut exister simultanément dans plusieurs états. “Selon Penrose et Hameroff, cette superposition peut s’effondrer spontanément en un état unique dans les microtubules en raison…

Envoyer un message secret ? Depuis toujours, c’est une gageure ! Les messagers : capturés. Les pigeons voyageurs : abattus. Les téléphones : sur écoute. Les messageries sur internet : espionnées ! Eh bien, cette ère sera peut-être bientôt révolue grâce à la cryptographie quantique. “Inviolable”, “communication ultime”… Les superlatifs s’empilent pour louer cette technologie tirant parti des lois étranges de la physique quantique. Le principe en est simple. “En cryptographie quantique, la physique quantique permet de distribuer secrètement une clé de chiffrement, utilisée ensuite pour crypter les messages”, résume Hugo Defienne, physicien CNRS à l’nstitut des nanosciences de Paris. Si l’on compare un message à une lettre, alors la clé serait l’enveloppe. Or, cette enveloppe quantique a une particularité : quiconque l’ouvre l’écorne, et il devient donc possible de…