Quantique : Son Histoire

Avant de parler d’ordinateur quantique, une petite introduction…

Au départ je voulais écrire un texte au sujet de l’histoire de la physique quantique ; mais ; après quelques recherches de documentations, il me semble finalement bien plus simple d’afficher directement la fiche Wikipédia !!!

C’est parti…

C’est incontestablement la résolution du problème du rayonnement du corps noir qui a marqué le début de la mécanique quantique. Au début du XX^e siècle, Max Planck résout en effet ce problème en faisant l’hypothèse que l’énergie des atomes ne peut s’échanger que par multiples de quantités proportionnelles à la fréquence du rayonnement, selon la formule désormais célèbre :

 

En confrontant son modèle aux données expérimentales, il obtient alors facilement une valeur numérique précise pour la constante h, depuis appelée constante de Planck et reconnue par la suite comme l’une des trois constantes fondamentales.

Cette idée de grandeurs énergétiques ne pouvant s’échanger que de façon discrète inspirera alors de nombreux physiciens, comme Niels Bohr, qui s’en serviront notamment pour développer un modèle de la structure de l’atome. Plus généralement, ce fut le début de ce qu’on appela la théorie des quanta.

Peu de temps après la découverte de Planck, Albert Einstein, à la suite notamment de son analyse de l’effet photo-électrique, suggère que la quantité hν est l’énergie d’une particule électromagnétique qui sera plus tard appelée photon. Cette réintroduction d’une conception corpusculaire de la lumière va inciter Louis de Broglie à proposer une relation analogue à celle de Planck, mais pour la quantité de mouvement :

où est un vecteur d’onde ; est la constante de Planck dite réduite.

Ce faisant, il est l’instigateur de la dualité onde corpuscule qui incitera certains physiciens à rechercher une description ondulatoire de la matière. Parmi ceux-ci, Erwin Schrödinger y parvient et obtient une équation différentielle, portant désormais son nom, qui permet de décrire précisément l’évolution quantique d’une particule. Cette équation prouva rapidement sa pertinence dans sa description du modèle de l’atome d’hydrogène.

Parallèlement, Werner Heisenberg avait développé une approche radicalement différente, qui s’appuyait sur des calculs matriciels directement inspirés de la mécanique analytique classique.

Ces deux approches, ainsi que la confusion concernant le concept de dualité onde corpuscule, donnaient à la mécanique quantique naissante un besoin de clarification. Cette clarification intervint grâce aux travaux d’un physicien britannique, Paul Adrien Dirac.

Dans un livre publié en 1930, intitulé Principes de la mécanique quantique, Dirac montre que les deux approches, celle de Schrödinger et Heisenberg, ne sont en fait que deux représentations d’une même algèbre linéaire. Dans cet ouvrage fondateur, Dirac extrait les lois proprement quantiques, en faisant abstraction des lois déjà imposées par la physique classique. Dirac donne alors une représentation axiomatique de la mécanique quantique, probablement inspirée des développements mathématiques de l’époque, notamment en ce qui concerne la géométrie projective.

Le travail de Dirac avait été précédé quelques années auparavant par celui réalisé par John Von Neumann, mais l’ouvrage de Von Neumann était beaucoup plus rigoureux sur le plan mathématique, de telle sorte qu’il plaisait surtout aux mathématiciens. Les physiciens lui ont préféré celui de Dirac et c’est donc essentiellement l’ouvrage de Dirac qui a laissé une postérité. Dans la préface d’une ré-édition de son livre, Von Neumann mentionne l’ouvrage de Dirac et le décrit comme « une représentation de la mécanique quantique qui peut à peine être surpassée en termes de brièveté et d’élégance », mais ajoute tout de même dans le paragraphe suivant que sa méthode « ne satisfait en aucune façon les exigences de la rigueur mathématique ».

La fiche complète sur Wikipédia : Mécanique quantique

Pour ceux qui ont quelques notions ou une bonne connaissance voient tout de suite la puissance de ces découvertes.
Pour les autres ; sachez qu’une nouvelle branche de la physique est née !!

C’est tout simplement révolutionnaire !!!

La chronologie ci-dessous montre les étapes clés et les contributeurs dans le développement de la mécanique quantique et la la chimie quantique.

Date	Personne	Contribution
1771	Luigi Galvani	Note que les muscles des grenouilles mortes s’agitent lorsqu’elles sont touchées par une décharge, qu’il appela électricité animale.
1800	Alessandro Volta	Invente la pile voltaïque, ou « batterie », dans le but de contrer la théorie de Galvani sur l’électricité animale.
1838	Michael Faraday	Utilisant la batterie de Volta, il découvre les rayons cathodiques lorsque, durant une expérience, il fait passer du courant au travers un tube de verre contenant de l’air raréfié et aperçu un arc lumineux étrange partant de l’anode (électrode négative) et se terminant à la cathode (électrode positive).
1852	Edward Frankland	Propose la théorie de la valence en posant que chaque élément chimique possède une « puissance combinatrice », e.g. certains éléments comme l’azote tend à se combiner à trois autres éléments (e.g. NO3) alors que d’autres peuvent se combiner avec cinq autres éléments (e.g. PO5), et que chaque élément tend à remplir son pouvoir de combinaison (valence) afin de satisfaire ses affinités.
1859	Gustav Kirchhoff	Pose le problème du corps noir, c’est-à-dire comme l’intensité du rayonnement électromagnétique émis par un corps noir dépend de la fréquence de la radiation et de la température du corps.
1877	Ludwig Boltzmann	Suggère que les états d’énergie d’un système physique peuvent être discrets.
1879	William Crookes	Montre que les rayons cathodiques, contrairement aux rayons lumineux, peuvent être courbés dans un champ magnétique.
1885	Johann Balmer	Découvre que les quatre bandes visibles du spectre de l’hydrogène peuvent être assignés à des entiers dans une série.
1888	Johannes Rydberg	Modifie la formule de Balmer afin d’inclure d’autres séries de bandes afin de donner la formule de Rydberg.
1891	Alfred Werner	Propose une théorie de l’affinité et de la valence dans laquelle l’affinité est une force attractive issue du centre de l’atome agissant uniformément à partir de toutes les parties de la surface sphérique de l’atome central.
1892	Heinrich Hertz	Montre que les rayons cathodiques peuvent traverser de fines feuilles d’or et produire une luminosité appréciable sur du verre située entre elles.
1896	Henri Becquerel	Découvre la radioactivité, processus durant lequel, en raison de la désintégration nucléaire, certains éléments chimiques ou isotopes émettent spontanément un des trois types d’entités énergétiques : les particules alpha (charge positive), les particules bêta (charge négative), et les particules gamma (charge neutre).
1897	Joseph John Thomson	Montre que les rayons cathodiques se courbent sous l’influence conjuguée d’un champ électrique et d’un champ magnétique, et afin de l’expliquer il suggère que ces rayons cathodiques sont des particules électriques subatomiques chargées négativement ou « corpuscules » (électrons) arrachés de l’atome ; et en 1904, il propose le modèle de plum pudding dans lequel les atomes sont des masses amorphes positivement chargées (pudding) dans lesquelles des électrons négativement chargés (prunes) sont dispersés sous la forme d’anneaux tournants non aléatoires.
1900	Max Planck	Suggère, afin d’expliquer le rayonnement du corps noir, que l’énergie électromagnétique ne peut être émise que sous forme quantifiée, i.e. que l’énergie peut être seulement multiple d’une unité élémentaire , dans laquelle h  est la constante de Planck et ν la fréquence de radiation.
1902	Gilbert N. Lewis	Afin d’expliquer la règle de l’octet (1893), développe la théorie de l’atome cubique dans laquelle les électrons, sous formes de points, se positionnent aux sommets d’un cube et suggèrent que les liaisons covalentes simples, doubles ou triples se produisaient lorsque deux atomes sont maintenus ensemble par plusieurs paires d’électrons (une pour chaque liaison) localisées entre les deux atomes (1916).
1904	Richard Abegg	Remarque le fait que la différence entre la valence maximale positive, par exemple +6 pour H2SO4, et la valence maximale négative, par exemple -2 pour H2S, d’un élément tend à être huit (loi d’Abegg).
1905	Albert Einstein	Afin d’expliquer l’effet photoélectrique (1839), i.e. que la lumière arrivant sur certains matériaux peut éjecter des électrons de celui-ci, il postule à partir de l’hypothèse quantique de Planck que la lumière elle-même est constituée de particules individuelles quantiques (photons).
1907	Ernest Rutherford	Afin de tester le modèle de plum pudding (1904), il tire des particules alpha positivement chargées sur une feuille d’or et remarque que certaines repartaient en arrière, montrant ainsi que les atomes possèdent un noyau atomique de petite taille et chargé positivement en leurs centres.
1913	Niels Bohr	Afin d’expliquer la formule de Rydberg (1888), qui modélise correctement le spectre d’émission lumineuse de l’atome d’hydrogène, il suppose que les électrons négativement chargés tournent autour d’un noyau positivement chargé à certaines distances quantifiées fixes et que chacune de ces « orbites sphériques » possède une énergie associée telle que les mouvements électroniques entre les orbites nécessitent des émissions ou des absorptions quantifiées d’énergie.
1916	Arnold Sommerfeld	Afin de prendre en compte l’effet Zeeman (1896), i.e. que les bandes spectrales d’absorption ou d’émission atomique changent lorsque la lumière est d’abord passée au travers d’un champ magnétique, il suggère qu’il peut y avoir des « orbitales elliptiques » dans les atomes en plus des orbitales sphériques.
1919	Irving Langmuir	Se basant sur le travail de Lewis (1916), il propose le terme de « covalence » et postule que la formation d’une liaison covalente de coordination lorsque les électrons d’une paire proviennent du même atome.
1922	Stern et Gerlach	Proposent l’expérience de Stern et Gerlach, durant laquelle les valeurs discrètes de moments angulaires pour des atomes à l’état fondamental sont détectées par passage dans un champ magnétique inhomogène, conduisant à la découverte du spin de l’électron.
1923	Louis de Broglie	Postula que les électrons en mouvement sont associés avec des ondes dont les longueurs d’onde sont données par la constante de Planck h divisée par la quantité de mouvement m   de l’électron : λ = h m v = h p
1925	Friedrich Hund	Met en lumière la règle de multiplicité maximale qui indique que lorsque les électrons sont ajoutés successivement à un atome, les niveaux ou orbitales sont occupées par un électron seul tant que c’est possible avant que appariement d’électrons avec spins opposés et fait ainsi la distinction entre les électrons internes dans les molécules restant dans les orbitales atomiques et les électrons de valence se plaçant dans les orbitales moléculaires impliquant les deux noyaux.
1925	Wolfgang Pauli	Formule le principe d’exclusion stipulant que deux fermions identiques ne peuvent occuper le même état quantique simultanément.
1926	Erwin Schrödinger	Utilise le postulat d’équivalence onde-matière de Broglie pour développer une équation d’onde représentant mathématiquement la distribution d’une charge d’un électron sur l’espace, symétrique sphériquement ou proéminente selon certaines directions, i.e. les liaisons de valence dirigées, donnant les valeurs corrects pour les bandes spectrales de l’atome d’hydrogène.
1927	Walter Heitler	Utilise l’équation de Schrödinger pour montrer comment les fonctions d’ondes de deux atomes d’hydrogène se rejoignent, avec des termes plus, moins et d’échange, pour former une liaison covalente.
1927	Robert Mulliken	Travaille à développer, avec Hund, une théorie de l’orbitale moléculaire dans laquelle les électrons sont assignés à des états s´étendant sur une molécule dans son ensemble et en 1932 introduit les terminologies d’orbitales moléculaires, comme liaison σ, liaison π, et liaison δ.
1928	Linus Pauling	Éclaire la nature de la liaison chimique pour laquelle il utilise le modèle de liaison covalente quantique de Heitler pour montrer la base quantique de tous les types de structures moléculaires et de liaisons et suggère que les différents types de liaisons dans les molécules peuvent être égalisées par une permutation rapide des électrons, processus appelé résonance (1931), de tels hybrides de résonance contenant des contributions des différentes configurations électroniques possibles.
1929	John Lennard-Jones	Introduit l’approximation de la combinaison linéaire d’orbitales atomiques pour le calcul des orbitales moléculaires.
1932	Werner Heisenberg	Applique la théorie des perturbations au problème à deux électrons et montre que la résonance provenant de l’échange électronique pouvait expliquer les forces d’échange.
1938	Charles Coulson	Fait le premier calcul précis d’une fonction d’onde d’orbitale moléculaire avec le dihydrogène.
1951	Clemens Roothaan et George Hall	Établissent les équations de Roothaan-Hall, donnant une base solide aux méthodes d’orbitales moléculaires.

Arrivé à ce stade on peut affirmer que la partie théorique et mathématique est terminée. Viendrons ensuite des compléments et de nouvelles expériences validant ces points. Il ne reste plus que l’intrication à mettre en évidence…

Passer d’une physique déterministe à une physique probabiliste ne fut pas facile…

Titre : Voyage vers l’infiniment petit

Source : YouTube

Sécurité informatique, IA, prédictions météo, trafic routier, conception de médicaments…
Tour d’horizon du champ des possibles de l’informatique quantique.

En Physique quantique, l’intrication, est un phénomène par lequel deux particules identiques (ou groupes de particules) forment un système lié, et présentent des états quantiques dépendant l’un de l’autre quelle que soit la distance qui les sépare. Un tel état est dit « intriqué ». En effet, il existe des corrélations entre les propriétés physiques observées de ces particules distinctes : cet état semble contredire le principe de localité. Ainsi, deux objets intriqués O₁ et O₂ ne sont pas indépendants même séparés par une grande distance, et il faut considérer {O₁+O₂} comme un système unique. Toute modification de l’état de la particule O1 se répercute instantanément sur la particule O2 !

Cette observation est au cœur des discussions philosophiques sur l’interprétation de la mécanique quantique. Elle est, en effet, contraire au principe de réalisme local défini par Albert Einstein.

L’intrication quantique a des applications potentielles dans les domaines de l’information quantique, la cryptographie quantique, la téléportation quantique ou l’ordinateur quantique.

L’étrange effet tunnel observé pour la première fois

Des chercheurs viennent de suivre expérimentalement le mécanisme de l’effet tunnel, l’un des phénomènes les plus énigmatiques de la physique quantique. Enfin.

Regardez la vidéo suivante ; amazing !

Gravité quantique : l’écume de l’espace-temps, une clé du Big Bang au vivant ?

Pendant environ 35 ans, Einstein a cherché une théorie unifiée de la matière, de l’espace-temps, de la force de gravitation avec la force électromagnétique, également en mesure d’expliquer les phénomènes quantiques. Depuis presque 50 ans, cette quête aux implications philosophiques profondes a été reprise. Dans son dernier ouvrage, le célèbre astrophysicien Jean-Pierre Luminet nous parle des sept chemins explorés à ce sujet pour atteindre le Graal d’une théorie quantique de la gravitation.

Lire : L’écume de l’espace-temps de Jean-Pierre Luminet.

Voir l’article sur Futura Science.

Alors qu’à nos yeux, la matière semble solide et la lumière un flux ininterrompu, la mécanique quantique, formalisée au 20e siècle, révèle à l’échelle de l’infiniment petit un monde discontinu. Y règnent l’incertitude et l’indétermination. Des propriétés utilisées pour rendre inviolables les codes secrets, et qui pourraient bientôt décupler la puissance des ordinateurs.

La révolution de la mécanique quantique : article publier sur Sciences & Avenir le 27 septembre 2020.