L’étrangeté quantique a de nouveau frappé en 2019. Une expérience décrite dans Nature en juin a réglé un débat passionné qui divise les physiciens depuis plus d’un siècle, tout en soulevant de nouvelles questions. Les chercheurs ont annoncé avoir suivi un saut quantique avec des détails sans précédent, montrant qu’il est possible non seulement de prédire quand une particule pourrait sauter, mais aussi — bizarrement — de l’inverser à mi-parcours.
« Il y a plus dans l’histoire de la physique quantique que nous ne le pensions », explique le physicien Zlatko Minev, chercheur chez IBM qui a dirigé l’expérience à l’Université de Yale.
La notion de saut quantique est née en 1913, lorsque le physicien danois Niels Bohr a introduit l’idée révolutionnaire selon laquelle les électrons ne font que encercler le noyau des atomes sur des orbites discrètes, ou des niveaux d’énergie. Les électrons sautent d’un niveau à l’autre, a émis l’hypothèse de Bohr, en absorbant ou en émettant un paquet d’énergie, appelé quantique. Les particules peuvent exister à un niveau ou à un autre, mais jamais entre les deux. Selon cette idée, les sauts quantiques sont instantanés et aléatoires.
D’autres physiciens se sont élevés contre l’idée qu’une particule saute si brusquement. » Comment se fait une transition sans jamais avoir été au milieu ? » demande Minev. Pour sonder les mystères du saut intermédiaire, Minev et ses collaborateurs ont utilisé un « atome artificiel », une configuration expérimentale capable d’imiter efficacement les comportements des électrons, y compris un saut quantique.
Les états quantiques changent lorsqu’ils sont mesurés directement, donc pour éviter cet écueil, Minev et son équipe ont plutôt observé un proxy: le niveau de photons réfléchis ou absorbés lorsque le système change d’état et de niveau d’énergie. Ils ont collecté et analysé des données à l’échelle des microsecondes, ce qui leur a permis de rechercher des comportements non visibles à des intervalles de temps plus longs. Le physicien de Yale et co-auteur principal Michel Devoret le compare à regarder un film au ralenti. « Comme au cinéma, vous pouvez voir des choses que vous ne pouvez pas voir à une vitesse rapide. »
À des échelles aussi fines, le saut quantique ressemblait moins à une secousse abrupte qu’à une transition douce et continue d’un état d’énergie à un autre. Les chercheurs ont également noté que le système envoyait un signal subtil avant un saut, et qu’avec une impulsion de lumière soigneusement calibrée, ils pouvaient inverser les sauts déjà en cours. La manipulation des états quantiques de cette manière, dit Minev, peut être utile pour corriger les erreurs des ordinateurs quantiques.
L’expérience confirme que lors d’un saut quantique, la particule existe réellement dans deux états à la fois. « D’une manière quantique typique, Bohr avait raison et tort en même temps », explique Minev.
