Ordinateur quantique : 1. Naissance de la théorie quantique

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Un grand scientifique nous a quitté dernièrement. Il s’agit de Stephen Hawking. Disparu le 14 mars 2018, le meilleur hommage que nous puissions lui rendre, c’est de parler de physique à travers un projet futuriste qui est l’ordinateur quantique.

Afin d’initier un public novice en la matière aux différentes facettes de ce sujet, nous vous proposons une série de six articles:

  1. Naissance de la théorie quantique
  2. Le principe de superposition
  3. La propriété d’intrication
  4. Évolution de la théorie quantique
  5. Introduction au fonctionnement de l’ordinateur classique
  6. Introduction au fonctionnement de l’ordinateur quantique

Naissance de la théorie quantique

La théorie quantique fait partie de la physique. Elle a pour sujet d’étude la matière à l’infiniment petit. Elle a été découverte au début du XXème siècle par le physicien allemand Max Planck. Celui-ci introduisit l’idée de quantification de l’énergie, en réponse au problème du rayonnement du corps noir.

 

Le corps noir et la quantification de la matière

Rappelons que la notion du corps noir a  été introduite par le physicien Gustave Kirchhoff en 1862. C’est un objet idéal qui absorberait parfaitement toute l’énergie électromagnétique qu’il reçoit, sans en réfléchir, ni en transmettre. Un four, uniformément chauffé, par exemple, constitue un bon modèle de corps noir. Sous l’effet de l’agitation thermique, le corps noir émet un rayonnement électromagnétique. À l’équilibre thermique, émission et absorption s’équilibrent et le rayonnement effectivement émis ne dépend que de la température.

Les formules classiques du rayonnement continu de la lumière, de la fin du 19ème siècle, avant l’apparition du quantique,  donnaient des valeurs infinies pour les échanges d’énergie entre la matière et le rayonnement.

Avec la nouvelle formule de Max Planck, les échanges d’énergie entre la matière et le rayonnement ne pouvaient se faire que par quanta d’énergie discrets. Une image simple pour comprendre la différence entre le continu et le discret est le morceau de tissu de soie. En apparence, il est continu et fait d’un seul tenant, alors qu’en réalité, il est constitué d’un grand nombre de fils très fins, mais finis. Cette quantification supprime la possibilité pour le rayonnement du corps noir d’atteindre une énergie infinie.

 

Exemple relatif à l’importance de la solution quantique de Planck

Prenons une pièce d’un franc suisse comme exemple. Nous savons que cette pièce peut être convertie en plusieurs pièces de valeur moindre, mais aucune de ces subdivisions ne peut avoir une valeur en dessous de 5 centimes. Supposons que la Banque nationale suisse décide, au moins théoriquement, qu’il n’y a aucune limite à cette subdivision. Vous imaginez aisément le problème qui pourrait surgir !!! Rendre la monnaie, dans une telle situation, devient un vrai casse-tête. En effet, dans un supermarché, le caissier peut vous rendre 5 centimes sous forme d’infinité, de gros sacs de pièces de monnaie de moindre valeurs!

Avouez que l’idée de la banque n’est pas la bonne. La meilleure manière de faciliter l’échange, c’est une monnaie discrète et finie. Dans le cas de la monnaie suisse, c’est une pièce de 5 centimes qui tronque les infinis. Mais dans le cas de la formule de Max Planck, c’est une quantité fondamentale que les physiciens ont nommés « la constante de Planck », et qu’on note h. Elle vaut  6,626 070 040 ×  (Énergie par temps). C’est une quantité infime, mais si nous la réduisons à zéro, nous retombons dans notre monde quotidien, classique et continu.

Conclusion

Nous avons vu quand et pourquoi le concept du quantique est né. Nous avons tenté de simplifier, avec l’exemple simple de la monnaie, la compréhension de ce mécanisme d’échange d’énergie discret et fini, par lequel la nature fonctionne à l’infiniment petit. Ce mécanisme est à l’opposé de l’idée qui prévalait à la fin du 19ème siècle, où on croyait que l’échange était continu et  infini.

 

Photo : geralt via pixabay.com

Abdelli Thameur Thameur Abdelli

Technicien en informatique et Administrateur système, je suis passionné par la physique quantique et les recherches actuelles sur la gravité quantique

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