Tirer à pile ou face dans le microcosme

Quand on lance une pièce de monnaie, celle-ci retombe soit du côté pile, soit du côté face. En revanche dans le microcosme les choses ne sont pas aussi claires: une „pièce de monnaie“ atomique  peut, une fois retombée, afficher une superposition du côté pile et du côté face – mais cela seulement si l'on n'y regarde pas de plus près. Car ensuite elle opte tout de même pour l'un de ces deux côtés. Si on laisse à une telle pièce de monnaie la liberté de déterminer l'endroit où une particule quantique doit aller, on observe alors un certain nombre d'effets inhabituels.  Une équipe de physiciens de l'Université de Bonn a pour la première fois pu mettre en évidence ces effets au cours d'une expérience avec des atomes de  césium. Leur étude est à paraître dans la prochaine édition du magazine scientifique „Science“.

Supposons par exemple que l'on procède à l'expérimentation suivante: donnons une pièce de monnaie à un individu participant à l'expérience - nous l'appellerons Hans par souci de clarté. Demandons à Hans de la lancer en l'air plusieurs fois d'affilée. A chaque fois qu'elle retombe du côté „face“ il doit faire un pas vers la droite. Si au contraire elle retombre du côté „pile“ il doit se dépacer vers la gauche. Au bout de 10 lancers on observe où se trouve  Hans. Selon toute vraisemblance il ne se sera pas éloigné beaucoup de l'endroit où il se trouvait au départ: le côté „face“ et le côté „pile“ tombent à peu de choses près aussi souvent. Pour qu'il se déplace de 10 pas sur la droite la pièce de Hans devrait retomber 10 fois de suite du côté „face“, ce qui n'arrive qu'extrêmement rarement.

Maintenant, partons du principe que Hans est un homme d'une grande patience – d'une patience telle qu'il se prête 1000 fois à cette expérience. Après chaque lancer nous notons sa position. Quand au terme de l'expérience l'on fait figurer les résultats sous forme de graphique,  on se retrouve face à une courbe en forme de cloche tout à fait caractéristique: on observe qu'après 10 lancers Hans se retrouve très fréquemment aux environs de son point de départ: il est par contre très rare qu'on le retrouve complètement à gauche ou à droite.

Cette expérience porte le nom de „marche aléatoire“(„random walk“ en anglais). On retrouve ce phénomène dans de très nombreux domaines des sciences modernes sous le nom de „mouvement Brownien et réalité moléculaire“ par exemple. Dans le monde de la physique quantique on observe un phénomène analogue aux nouvelles propriétés époustoufflantes: il s'agit du  „quantum walk“. Jusqu'à présent ce n'était plus ou moins qu'un concept théorique. Et pourtant un groupe de physiciens de l'Université de Bonn vient de mettre réellement en pratique ce fameux „quantum walk“.

Un seul et unique atome de césium leur a à la fois servi de marcheur et de pièce de monnaie: ils ont pu le maintenir au moyen d'une pincette à  rayons lasers. Les atomes peuvent adopter différents états de mécanique quantique – un peu comme pour la pièce de monnaie qui tombe tantôt du côté face, tantôt du côté pile. Mais dans le microcosme les choses sont un peu plus compliquées que cela: les particules quantiques peuvent en effet exister en faisant se superposer différents états. On peut donc dire que dans une certaine mesure on retrouve „un peu de pile“ et „un peu de face“ quand elles retombent. Les physiciens parlent ainsi de „superposition“.

Les physiciens de Bonn ont tiré leur atome de césium dans deux directions opposées grâce à un système composé de deux  courroies constitué de rayons lasers – ils ont tiré la partie „face“ vers la droite et la partie „pile“ vers la gauche. „Nous avons ainsi pu écarter l'un de l'autre ces deux états de quelques fractions d'un millième de millimètre“, a déclaré Artur Widera, docteur près  l'Institut de Physique appliquée de l'Université de Bonn. Après quoi les chercheurs ont une nouvelle fois „lancé les dés“ et obtenu que les deux éléments constitués par le côté face et le côté pile se superposent à nouveau.

Au bout d'un certain nombre de pas de ce „quantum walk“, on retrouve pour ainsi dire un peu partout cet atome de césium qui a été trituré dans tous les sens. Ce n'est que quand on mesure sa position qu'il „décide“ de l'endroit du „podium“ où il va vouloir réapparaître. La probabilité de sa position est dominée par un second effet de la mécanique quantique: à savoir que deux parties d'un atome peuvent se renforcer ou s'effacer mutuellement; comme pour la lumière le physicien parle alors d' „interférence“.

Comme pour l'exemple mettant en scène Hans le lanceur de pièce, on peut reproduire ce „quantum walk“ un bon nombre de fois, au terme desquelles on obtient également une courbe qui reflète la probabilité situationnelle de l'atome. Et c'est précisément ce que les physiciens de Bonn ont mesuré. „Notre courbe  se distingue nettement des résultats du „random walk“ classique et atteint son maximum non pas au milieu, mais sur les bords“, souligne Michal Karski, collègue de Monsieur Wideras. „C'est exactement ce à quoi nous nous attendions d'après nos réflexions théoriques, et c'est ce qui rend le „quantum walk“ si attrayant pour toute application pratique.“ A titre de comparaison les chercheurs ont détruit, après chaque lancer de pièce, la superposition de mécanique quantique. Ce qui transforme le „quantum walk“ en „random walk“, et ce qui fait que l'atome de césium se comporte comme Hans. „Et c'est exactement l'effet que nous observons“, affirme Monsieur Karski.

Le groupe que dirige le Professeur Dieter Meschede travaille depuis de nombreuses années déjà à l'élaboration d'un ordinateur dit „quantique“. Avec le „quantum walk“ l'équipe de chercheurs a franchi une nouvelle étape décisive dans cette direction. „Grâce à ce nouvel effet que nous avons mis en évidence il est désormais possible de réaliser de tout nouveaux algorithmes“, explique Monsieur Widera. En voici un exemple relatif aux processus de recherche: si l'on souhaite aujourd'hui dénicher un seul un égaré au milieu d'une série de zéros, on est obligé de vérifier chaque chiffre individuellement. La manoeuvre se complique linéairement en fonction du nombre de chiffres. Mais avec un algorithme de „quantum walk“ le marcheur peut orienter ses recherches en plusieurs endroits différents à la fois. La recherche consistant à retrouver la fameuse aiguille dans la botte de foin proverbiale s'en retrouverait considérablement  accélérée.

Contact:
Dr. Artur Widera
Institut de Physique appliqueée de l'Université de Bonn
Téléphone: 0049 (0)228/73-3471; E-Mail: widera@uni-bonn.de
Site Internet: http://agmeschede.iap.uni-bonn.de/

Michal Karski
Téléphone: 0049 (0)228/73-3489; E-Mail: karski@uni-bonn.de

Copyright © Uni Bonn | Erstellt von Frank Luerweg | 09.07.2009