Le monde quantique , livre ebook

Michel Le Bellac
LE MONDE QUANTIQUE
Michel Le Bellac
Préface d’Alain Aspect
LE MONDE QUANTIQUE
La physique quantique a permis de concevoir des objets comme le transistor et le laser,
à la base de la révolution technologique qui en moins de trente ans a bouleversé notre
vie quotidienne. En évitant tout formalisme mathématique élaboré, l’auteur se propose
de donner les clés pour comprendre le fonctionnement d’objets emblématiques créés
par l’ingénierie quantique comme les diodes laser ou les horloges atomiques, ainsi que
les enjeux de recherches récentes par exemple sur les atomes froids ou les condensats
de Bose-Einstein. Il explore en profondeur les principes de ce qu’Alain Aspect a baptisé
la « seconde révolution quantique »fondée sur le concept d’intrication, en traitant aussi
bien de questions fondamentales comme la non-localité que des développements
récents de la cryptographie et du calcul quantiques. Enfin il donne dans les deux derniers
chapitres une discussion actualisée des problèmes posés par les fondements de la théorie
quantique.
Extrait de la préface d’Alain Aspect : « Le livre de Michel Le Bellac a l’immense mérite
de tirer les conséquences des avancées récentes, et de présenter de façon synthétique
les concepts à la base des deux révolutions quantiques. . . Il a su dégager les points
essentiels et choisir quelques exemples importants, sans noyer le lecteur sous une
accumulation de phénomènes ». LE
Michel Le Bellac est professeur émérite à l’Université de Nice-Sophia Antipolis. Il a enseigné la MONDEphysique quantique dans les trois cycles universitaires. Ses travaux portent sur la physique
théorique des particules élémentaires et la théorie quantique des champs à température finie,
sujet sur lequel il a écrit un livre, « Thermal Field Theory ». Il est également l’auteur de quatre QUANTIQUEmanuels de physique tous traduits en anglais, qui portent notamment sur la physique et
l’information quantiques. Michel Le Bellac
Isbn : 978-2-7598-0443-6
Préface d’Alain Aspect24 €
www.edpsciences.org
Création graphique : Béatrice Couëdel
La collection « UNE INTRODUCTION À... » se propose de faire
connaître à un large public les avancées les plus récentes
de la science. Les ouvrages sont rédigés sous une forme
simple et pédagogique par les meilleurs experts français.Collection « Une Introduction à »
dirigée par Michèle Leduc et Michel Le Bellac
Le monde quantique
Michel Le Bellac
Préface d’Alain Aspect
17, avenue du Hoggar
Parc d’activités de Courtabœuf, BP 112
91944 Les Ulis Cedex A, FranceImprimé en France.
© 2010, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de Courtabœuf,
91944 Les Ulis Cedex A
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reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le
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du droit de copie, 3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tél. : 01 43 26 95 35.
ISBN EDP Sciences 978-2-7598-0443-6Ancien élève de l’École normale supérieure, Michel Le Bellac,
a d’abord passé cinq ans au CNRS à Orsay. Il a rejoint en 1967
comme professeur l’Université de Nice-Sophia Antipolis où il
a effectué la suite de sa carrière, en dehors de trois années
passées au CERN à Genève. Il est professeur émérite de
l’Université de Nice-Sophia Antipolis depuis 2002. Ses recherches
ont porté sur la physique théorique des particules
élémentaires puis sur la théorie des champs à température finie et
le plasma quark-gluon, sujet sur lequel il a écrit Thermal Field
Theory (Cambridge University Press, 1996). Il a écrit
récemment plusieurs manuels de physique de niveau M1/M2 :
Thermodynamique statistique, en collaboration avec G. Batrouni
et F. Mortessagne (Dunod, 2000), Physique quantique (EDP
Sciences/CNRS Éditions, 2003, seconde édition en 2007),
Information quantique (Belin, 2005). Tous ces livres ont été
traduits en anglais et publiés par Cambridge University Press.7KLVSDJHLQWHQWLRQDOO\OHIWEODQNTable des matières
Préface 7
Avant-propos 11
1 Un principe qui dérange 17
1.1 Lesondesdelaphysiqueclassique.... ..... ..... .... ..... 18
1.2 L’interféromètredeMach-Zehnder.... .... 21
1.3 Photons . . .... ..... ..... .... ..... ..... .... ..... 23
1.4 Photonsdansl’interféromètredeMach-Zehnder .... 29
1.5 L’interféromètredeMach-Zehnderrevisité.... ..... .... ..... 31
1.6 Particulesquantiques ... ..... .... ..... .... 33
1.7 Choixretardéetmesure«sansinteraction» ... ..... .... ..... 38
1.8 Bibliographie... ..... ..... .... ..... .... 41
2 Des transmissions sécurisées 43
2.1 Lacryptographieclassique:clésecrèteetclépublique . .... ..... 43
2.2 Polarisationdelalumière ..... .... ..... ..... .... 46
2.3 Polarisationd’unphoton . .... .... ..... 49
2.4 LeprotocoleBB84pourlacryptographiequantique ... .... 52
2.5 Bibliographie... ..... ..... .... ..... ..... .... ..... 56
3 Einstein, Bohr et la physique quantique 57
3.1 Descommunicationssupraluminales? . ..... ..... .... ..... 58
3.2 Uneinégalitéremarquable .... .... .... 59
3.3 Etlaphysiquequantique?..... .... ..... ..... .... ..... 61
3.4 L’expérienced’Aspect ... .... .... 64
3.5 Bibliographie... ..... ..... .... ..... ..... .... ..... 694 Atomes, lumière, lasers 71
4.1 Particulesetondesclassiquessurunedroite... .... ..... .... . 72
4.2 Particulequantiquedansunpuitsdepotentiel . .... .... . 75
4.3 InégalitésdeHeisenbergetniveauxd’énergie.. .... ..... .... . 77
4.4 Atomes . ..... ..... .... ..... ..... .... .... . 81
4.5 Lasers .. .... .... ..... .... . 83
4.6 Bibliographie ... ..... .... ..... ..... .... .... . 89
5 Des atomes très froids 91
5.1 Qu’est-cequelatempérature? . ..... ..... .... ..... .... . 91
5.2 Refroidirlesatomes.... .... .... .... . 95
5.3 CondensatsdeBose-Einstein . . ..... ..... .... ..... .... . 105
5.4 Bibliographie ... ..... .... .... .... . 111
6 Le règne des semi-conducteurs 113
6.1 Conducteursetisolants . .... ..... ..... .... ..... .... . 113
6.2 Semi-conducteurs ..... .... .... .... . 119
6.3 Interactionavecunchampélectromagnétique . .... ..... .... . 123
6.4 Hétérostructuresetdiodeslaser ..... ..... .... .... . 124
6.5 Bibliographie ... ..... .... .... ..... .... . 129
7 Physique quantique et relativités 131
7.1 Théorierelativistedeschampsquantiques .... .... ..... .... . 131
7.2 Lemodèlestandarddelaphysiquedesparticules ... .... . 139
7.3 Lagravitationquantique. .... ..... ..... .... ..... .... . 144
7.4 Bibliographie ... ..... .... .... .... . 149
8 Vers l’ordinateur quantique? 151
8.1 Bitsetporteslogiquesquantiques .... ..... .... ..... .... . 152
8.2 Algorithmesquantiques . .... ..... .... .... .157
8.3 Algorithmesquantiquesetcomplexitéalgorithmique . ..... .... . 162
8.4 Réalisationsphysiques . . .... ..... ..... .... .... . 163
8.5 Bibliographie ... ..... .... .... ..... .... . 165
9 L’environnement surveille 167
9.1 Ladécohérence:unexempleélémentaire .... .... ..... .... .167
9.2 Décohérenceenvironnementale ..... ..... .... .... . 172
9.3 Bibliographie ... ..... .... .... ..... .... .177
4 Table des matières10 Interprétations 179
10.1 L’interprétationdeCopenhague . .... ..... ..... .... ..... 180
10.2 LathéoriedevonNeumann.... .... .... 186
10.3 L’appareildemesureestmacroscopique ..... ..... .... ..... 190
10.4 Interprétationsnonstandard ... .... .... 194
10.5 Conclusion .... ..... ..... .... ..... ..... .... ..... 196
10.6 Bibliographie... ..... ..... .... ..... ..... .... 198
11 Annexes 199
Index 223
LE MONDE QUANTIQUE 57KLVSDJHLQWHQWLRQDOO\OHIWEODQNPréface
L’écriture d’un livre de vulgarisation – il vaudrait mieux parler de « popularisation »
comme les anglophones – est toujours une entreprise difficile. Quand il s’agit de
physique quantique, monde dans lequel nos repères et notre expérience courante ne
nous permettent pas de construire des images, il s’agit d’un défi majeur. C’est ce défi
que Michel Le Bellac a décidé de relever. Il faut l’en féliciter car la physique quantique
a connu des bouleversements majeurs au cours des dernières décennies, et il est
indispensable de mettre à la disposition du public des ouvrages lui permettant de
comprendre de quoi il s’agit lorsqu’il entend parler d’intrication, de décohérence, de
condensats de Bose-Einstein, de cryptographie quantique, d’ordinateur quantique.
eLa physique quantique est née au début du XX siècle, avec les travaux
fondateurs de Planck, Einstein, Bohr, de Broglie, bientôt suivis par la mise en forme
cohérente par Heisenberg, Schrödinger et Dirac du formalisme mathématique encore
utilisé aujourd’hui. Il permet de décrire l’ensemble des phénomènes microscopiques
qui échappent à l’électrodynamique classique, synthèse des deux grandes théories
ephysiques achevées au XIX siècle, la mécanique d’une part et l’électromagnétisme
de l’autre. Les plus grands physiciens tels Lorentz avaient en effet échoué dans leurs
tentatives de comprendre la stabilité de la matière, dont on savait qu’elle était
composée de charges positives et négatives qui, en s’attirant, auraient dû aboutir à
l’effondrement de la matière sur elle-même. Le modèle d’atome de Rutherford, sorte
de système solaire où les électrons tournent autour du noyau comme les planètes
autour du Soleil, n’échappait pas à l’objection car une charge électrique que l’on
force à changer de direction émet du rayonnement (c’est le principe des sources de
rayonnement synchrotron). Elle perd donc de l’énergie et va finir par tomber