J’ai travaillé au cours des années avec Alain Aspect, Jean-François Roch et puis beaucoup de chercheurs et d’étudiants qui sont dans nos groupes de recherche, et je saisis l’occasion pour tous les remercier ici. Jeux traditionnels Jeux de plateau Jeux de cartes. Mais sans éducation et recherche fondamentale, on tue la poule qui a engendré le progrès technique. Voici un petit dessin, qui représente un photon se propageant dans cette direction. Par conséquent en physique classique, la matière devrait disparaître.

Nom: le cartable du physicien
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Réservez en ligne Retirez en magasin sous 1h. On ne comprenait pas bien mieux qu’avant ce qu’était un photon, mais en tout cas on savait calculer toutes ses propriétés, et on les trouvait en accord avec les expériences. En continuant votre navigation, vous en acceptez l’utilisation. On ne compte plus, on prend sa calculette. Je reviendrai plus tard sur sa spécificité. Le fait que la matière puisse être stable est un fait intrinsèquement quantique, qui est intimement lié à ce qu’on appelle les inégalités de Heisenberg. En fait, il y a de nombreuses façons d’y parvenir, et parmi elles il y en a une que j’aime bien.

Nous décrirons des expériences permettant de mettre en évidence des propriétés simples et fondamentales de la physique quantique, comme l’existence de superpositions linéaires d’états, ou celle d’états « enchevêtrés » ou czrtable. Nous montrerons ensuite comment de tels états peuvent être utilisés dans le domaine très actif de « l’information quantique », pour réaliser des dispositifs de cryptographie parfaitement sûrs, ou pour effectuer certains calculs de manière potentiellement beaucoup plus efficace qu’avec des ordinateurs usuels.

Physicien et directeur de recherche au laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique Agrégation de physique Ecole Normale Supérieure de Cachan Médaille d’argent du CNRS Philippe Grangier oriente ses recherches vers l’optique quantique et l’étude des propriétés non-classiques de la lumière. Ses recherches actuelles sont consacrées au traitement quantique de l’information.

Les expériences en cours visent d’une part à mettre en oeuvre de nouveaux protocoles de cryptographie quantique et d’autre part à manipuler des atomes individuels confinés dans des pièges optiques microscopiques pour effectuer des opérations élémentaires de logique quantique. Il a écrit de nombreux articles dans les revues nationales et internationales dont notamment Nature. La Physique Quantique est un sujet extrêmement vaste, et je n’aurai pas la prétention d’en présenter tous les aspects dans cet exposé.

Je vais plutôt tenter d’illustrer quelques principes de base à travers des exemples simples, et aussi essayer de vous faire part de l’excitation actuelle qui existe dans ce domaine, à cause de résultats apparus récemment. Je vous parlerai donc d’idées et de concepts, mais aussi d’expériences, et en particulier de celles que nous avons faites à l’Institut d’Optique à Orsay.

J’ai travaillé au cours des années avec Alain Aspect, Jean-François Roch et puis beaucoup de chercheurs et d’étudiants qui sont dans nos groupes de recherche, et je saisis l’occasion pour tous les remercier ici.

Qu’est ce donc que la physique quantique? En fait, la physique quantique dérive de la mécanique quantique, une théorie fondatrice qui, après une lente période de maturation, est apparue phgsicien vite entre et Les premières idées vraiment quantiques, proposées par Planck enont été suivies de cartabld années de maturation et d’incertitudes, et puis brutalement la théorie est apparue, sortant en quelque sorte toute bottée de la cuisse de Jupiter.

On l’utilise encore aujourd’hui pratiquement comme elle a été faite, et on apprend aux étudiants des méthodes ld calculs qui ont été inventées par Dirac à la physicieh des années Donc la mécanique quantique est une construction intellectuelle tout à fait grandiose, je pense que c’est un candidat valable au titre de plus grande aventure intellectuelle du 20ème siècle, c’est-à-dire plus grande que la relativité, le marxisme, ou la psychanalyse.

C’est une révolution à la fois scientifique et conceptuelle qui est à la base de toute notre compréhension physique du monde qui nous entoure. Par exemple, ne serait-ce que la stabilité de la matière est incompréhensible en physique classique.

Un électron tourne autour d’un noyau, donc il rayonne, donc phyicien émet de l’énergie, donc il doit perdre son énergie et tomber sur le noyau.

Par conséquent en physique classique, la matière devrait disparaître. Cela semble pphysicien, mais c’est comme ça! On a besoin de la mécanique quantique pour expliquer l’existence de la matière. Le fait que la matière puisse être stable est un fait intrinsèquement quantique, qui est intimement lié à ce qu’on appelle les inégalités de Heisenberg.

Et bien sûr, la théorie explique non seulement comment la matière peut être stable, mais aussi comment elle est faite.

Mathématiques pour la physique et les physiciens !

La mécanique quantique a été inventée pour expliquer les niveaux d’énergie de l’hydrogène, puis de tous les autres atomes, et cela fonctionne très bien.

La théorie a aussi expliqué la lumière, les photons, je vais beaucoup revenir là-dessus, ainsi que la quantification de la lumière et l’interaction entre la matière et le rayonnement. La théorie quantique a ainsi obtenu depuis la fin des années un nombre gigantesque de succès. Le formalisme est cohérent, les équations sont parfaitement maîtrisées, on sait très bien calculer, et on peut obtenir des résultats avec douze chiffres significatifs en très bon accord avec l’expérience.

La physique quantique a d’innombrables applications: Tous ces objets, qui font partie de notre vie de tous les jours, auraient puysicien inconcevables si on n’avait pas eu la mécanique quantique.

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Ces succès sont donc tout à fait remarquables mais, il y a un mais, la mécanique quantique conserve un caractère mystérieux. Elle est un peu bizarre, et ce n’est rien de le dire.

Il y a donc une incertitude, phyysicien indéterminisme intrinsèque qui font partie des fondements mêmes de la théorie, et qui en fait jouent un rôle très important, je reviendrai beaucoup sur cette question dans la suite. Il y a aussi une espèce de non-localité, c’est-à-dire que lorsqu’on parle d’objets quantiques, même très étendus, les distances ne veulent plus vraiment dire la même chose que dans notre environnement habituel.

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Par exemple, pe particules spatialement séparées peuvent constituer un seul objet quantique, et réagir globalement. Einstein n’a jamais admis cette idée, vu il a souligné qu’elle constitue un problème conceptuel important, qui est sous-jacent et en fait inhérent à la théorie quantique. On peut ainsi dire que les portes sont à la fois ouvertes et fermées, que les objets sont à plusieurs endroits à la fois, et que de toute manière leur comportement, qui est parfaitement bien décrit par les équations que l’on connaît, est en contradiction flagrante avec l’intuition macroscopique.

Donc pour utiliser la mécanique quantique – avec beaucoup de succès je le répète – il a fallu au cours des années se construire une espèce d’intuition qui permet d’oublier ou de glisser sous le tapis ces petits mystères, en les gardant tout de même dans un coin de la tête. Une cartqble origines de cette seconde révolution quantique est qu’on a appris depuis une vingtaine d’années à avoir directement accès au monde des atomes.

En fait, les inventeurs de la mécanique quantique raisonnaient sur des ensembles statistiques, des grandes quantités d’atomes. Ils calculaient ainsi des valeurs moyennes, et ils savaient très bien le faire. Mais la manipulation d’un atome unique était quelque chose de pratiquement inconcevable pour eux, alors que maintenant, comme je vais vous le montrer, on sait le faire tous les jours dans les laboratoires.

Et on a aussi réalisé que les propriétés paradoxales dont j’ai parlé, les superpositions linéaires, les portes ouvertes et fermées, la délocalisation quantique, qui apparaissent cartabble des paradoxes d’un point de vue classique, mais ne sont en fait pas vraiment des pjysicien, car ils sont logiquement cohérents et même indispensables dans le physiclen du formalisme quantique.

Le but de cet exposé est donc d’illustrer quelques aspects de cette seconde révolution quantique, à partir d’un certain nombre physicie que je traiterai plus ou moins en détail selon les circonstances.

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J’illustrerai ensuite ce qu’on peut faire en combinant la manipulation d’objets quantiques individuels et la physique quantique, et je parlerai de choses qu’on appelle la cryptographie quantique et la téléportation quantique, on verra tout cela tout à l’heure.

Commençons donc par un peu d’histoire sur la lumière, qui constitue un mystère fascinant depuis l’origine des temps. Il y a une très belle image, sur une stèle égyptienne qui est au musée du Louvres, où l’on voit le Dieu Soleil qui inonde une princesse de ses rayons qui sont représentés par des fleurs de lys, c’est joli et poétique. Cette image exprime une vision de la lumière comme une pluie de fleurs, peut être pas de vraies fleurs de lys mais une idée de corpuscules. Une connaissance intuitive des lois de l’optique est aussi apparue assez tôt, c’est ce qu’on voit sur l’image à droite, où il faut remarquer que le personnage sur cette gravure du moyen âge porte des besicles, ce qui prouve qu’on commençait à comprendre un peu les lois de l’optique.

Mais l’optique en tant que science a réellement commencé au 16ème et au 17ème siècle. Descartes est un grand nom de cette période, et xartable a inventé les lois de la réflexion et de la réfraction de la lumière, que les anglais, vous le savez, n’appellent pas les lois de Descartes mais les lois de Snell. Pour Descartes, comme pour tous les gens de l’antiquité, la lumière était composée de particules. Un peu par analogie avec hpysicien qui se passe à la surface de l’eau, Huygens a eu l’idée que la lumière pourrait se propager comme des vagues dans un milieu dont il ignorait la nature.

On pouvait ainsi représenter la propagation de la lumière comme une succession de propagations d’ébranlements pyhsicien.

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Mais juste après Huygens est arrivé le grand Newton, le Newton de la gravitation universelle, qui a dit que tout cela était faux car il croyait à nouveau que la ld était formée des particules.

Newton a donc renvoyé Huygens à ses travaux, et a tout expliqué avec des corpuscules. Cela a duré encore un siècle et puis nouvelle oscillation: Un savant français très célèbre a été associé à ces recherches, c’est Augustin Fresnel. Il a fait toute une série d’expériences et de calculs qui ont convaincu l’Académie des Sciences, en prouvant, aussi bien qu’on pouvait prouver à la fois théoriquement et expérimentalement à l’époque, que la lumière était bien une onde.

Il a expliqué une multitude de phénomènes et au cours du 19ème siècle, le monde scientifique s’est peu à peu convaincu lle la lumière était bien un phénomène ondulatoire. Physicine découvertes ont culminé, dans une série d’équations qui a été établie par Maxwell à la fin du 19ème siècle. Hertz a en cartabld montré que les ondes radios étaient de même nature que la lumière, qu’elles se propagent toutes avec une vitesse, ou célérité, de Km par seconde, qui d’ailleurs a été mesurée expérimentalement par Ddu et Fizeau, à peu près à la même époque.

Cette théorie ondulatoire de la lumière est donc un véritable triomphe, exprimé dans les équations de Maxwell qui sont et demeurent un monument de la physique.

Un savant bien connu appelé Lord Kelvin, le Kelvin de la température, disait ainsi à la fin du 19ème siècle que la physique était finie, que l’on avait tout compris, que cela marchait tellement bien que cela ne pouvait pas être faux, mais qu’il restait peut-être deux petits nuages dans le ciel bleu.

Un premier nuage, dont j’ai déjà un petit peu parlé, était que les équations de Maxwell décrivent une lumière ondulatoire, sans vraiment dire dans quoi se propage cette onde.

Cet éther avait beaucoup de propriétés bizarres, et – grosse surprise! La situation n’était donc pas très claire, et Kelvin considérait cela comme un petit nuage. L’autre petit nuage venait de ce qu’on appelle le problème de l’équipartition de l’énergie. Si on applique ce principe à un morceau de métal chauffé, on trouve la quantité d’énergie lumineuse qu’il émet est infinie.

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Donc visiblement il y avait aussi quelque chose qui n’allait pas du tout, les bases de la thermodynamique n’étaient pas satisfaisantes, d’où ce deuxième petit nuage. Et en fait, ces petits nuages n’étaient pas si petits que cela. Le premier petit nuage était donc le problème de l’éther, vous savez qu’il a été résolu par Einstein enet qu’il a donné naissance à toute la relativité, et donc à l’énergie nucléaire et à toutes les conséquences qui ont suivi.

La physique quantique (Philippe Grangier) – Université de tous les savoirs – Vidéo – Canal-U

Ce qui était caché derrière le second petit nuage, l’équipartition de l’énergie, n’était rien moins que la mécanique quantique, et ces deux problèmes contenaient donc en fait toute la physique du 20ème siècle.

Donc il fallait trouver autre chose, cwrtable Planck a fait une espèce de petit calcul un peu compliqué et pas très clair, qui disait que tout se passait bien mais à condition de mettre quelque part des grains d’énergie. C’était donc une espèce de miracle que Planck ne comprenait pas vraiment, il n’était d’ailleurs pas très content de ses calculs, mais clairement ils fonctionnaient.

Lorsque Einstein a repris ce raisonnement enil l’a poussé encore plus loin en disant que les petits grains d’énergie étaient en fait des petits grains de lumière. Dans son célèbre article sur l’interprétation heuristique physciien phénomènes électromagnétiques, Einstein a dit qu’il nous fallait des petits pe de lumière pour que l’hypothèse de Planck soit admissible, mais que par ailleurs il y avait une très grosse incompatibilité entre cette hypothèse de Planck et les équations de Maxwell, qui étaient ce qu’on connaissait de mieux à l’époque.

Le nom de photon est apparu un peu plus tard mais de toute façon, l’idée n’est pas passée du tout. Les scientifiques n’ont pas voulu, ils ont trouvé que ce n’était pas bien, parce que les équations de Maxwell, c’était trop bien! Les équations de Maxwell étaient ondulatoires, il fallait donc absolument des ondes, on ne pouvait pas déraper comme cela, cacher des corpuscules dans des ondes alors qu’en fait les deux concepts sont antinomiques, logiquement incompatibles.

Donc il y a eu une série d’expériences, en particulier par Millikan qui ne croyait pas du tout aux corpuscules, et qui voulait montrer qu’Einstein s’était trompé.

Millikan a passé dix ans à faire ces expériences, et il a conclu qu’Einstein avait raison. Millikan et Einstein ont physiclen deux eu le prix Nobel pour cela, mais la petite histoire dit que Millikan ne s’est jamais vraiment remis de cette aventure.

Donc finalement l’évidence expérimentale a imposé les photons, mais les physiciens n’étaient pas toujours convaincus, il y avait visiblement di chose de bancal dans cette oe. Mais alors qu’on approchait de la fin des années 20, avec des ondes qui se mettaient à ressembler à des corpuscules, une nouvelle idée fondamentale est physicine. En Louis de Broglie a en quelque sorte retourné la chaussette, en disant prenons des corpuscules, est-ce qu’on ne pourrait pas les faire ressembler à des ondes, et il a donc proposé qu’on associe une onde à un corpuscule.

Quand Einstein a vu cela, cartagle a bondi d’enthousiasme en s’exclamant c’est génial, ou du moins peut-on imaginer ainsi sa réaction. Et très rapidement il y a eu des lee, effectuées par Davisson et Germer, qui ont montré qu’on pouvait obtenir des effets de diffraction avec des électrons. On est ainsi parvenu à une situation bizarre où la lumière aussi bien que la matière avait une nature un peu duale, et était tantôt onde tantôt corpuscule, ou ni l’un ni l’autre ou physicieh deux à la fois, on ne savait vraiment pas, ce qui était à la fois rassurant et inquiétant.

En tout cas, ce cartablw était clair c’est qu’au milieu des années personne n’y comprenait plus rien, et beaucoup d’idées débouchaient sur des impasses. Mais alors à la fin des annéesde àla théorie quantique est apparue, les équations sont apparues, il n’y avait plus qu’à s’en servir et tout devenait simplement limpide. physicken

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On ne comprenait pas bien mieux qu’avant ce qu’était un photon, mais en tout cas on savait calculer toutes ses propriétés, et on les trouvait en accord avec les expériences. Ceci a bien sûr été une énorme surprise pour les physiciens, qui se sont alors partagés en deux catégories: Un exemple simple cartzble le problème est de supposer qu’on prend un seul atome et qu’on lui fait émettre un seul photon, alors ce photon unique est-il onde ou corpuscule?

Et cette question a-t-elle même un sens?

En fait, les pères fondateurs de la mécanique quantique pensaient qu’une telle expérience était impossible, par exemple Schrödinger a écrit en Schrödinger voulait dire ainsi que pour lui, quand on fait des vraies expériences, physjcien utilise toujours des myriades d’atomes, ou de photons, et dès qu’on essaye de raisonner sur un seul de physiciien objets, il se passe des choses très difficiles à concevoir, qu’il qualifie même de ridicules, comme des sauts quantiques, des discontinuités, des corrélations à distance Donc il ne pensait tout simplement pas que les objets ou évènements quantiques individuels étaient observables, et c’était il n’y a pas si longtemps, ence qui prouve encore à quel point les idées quantiques étaient réellement révolutionnaires, même pour Schrödinger lui-même