Un chat et trois messieurs

Il a près de quatre-vingt-dix ans et continue de se faufiler dans les laboratoires de physique des temps modernes : le chat de Schr?dinger. Probablement l'animal le plus célèbre de la discipline, issu d'une expérience de pensée, il est à la fois mort et vivant. Dans le cadre d'une bourse Branco-Weiss, Matteo Fadel explore ce qu'il en est de ce chat - ou plut?t de la transition entre la mécanique quantique et la physique classique, dont il est devenu le symbole.

La naissance du chat

Dans les années trente du siècle dernier, les physiciens les plus connus de l'époque, dont Erwin Schr?dinger, ont discuté de la manière de concilier la théorie de la mécanique quantique avec la réalité que nous observons dans la vie quotidienne. En mécanique quantique, une particule peut prendre ce que l'on appelle des états de superposition. Cela signifie qu'elle peut se trouver non seulement dans l'état A ou l'état B, mais aussi dans les deux à la fois.

Dans les matériaux radioactifs, par exemple, les noyaux atomiques se désintègrent et émettent un rayonnement. Toutefois, seule une distribution de probabilité permet de déterminer si un noyau donné s'est déjà désintégré ou non au bout d'un certain temps. Tant que nous ne mesurons pas la particule émise - c'est-à-dire tant qu'elle n'interagit pas avec son environnement - le noyau se trouve dans un état de superposition entre "intact" et "désintégré".

Erwin Schr?dinger a trouvé cette idée absurde et a proposé d'imaginer un chat dans une bo?te verrouillée. La bo?te contiendrait ce que Schr?dinger a appelé une "machine infernale" : une substance radioactive dont la probabilité de désintégration d'un atome au bout d'une heure est de 50 %. Si cela se produit, le rayonnement qui en résulte déclenche un signal dans un détecteur. Le résultat est qu'un marteau écrase une bouteille d'acide cyanhydrique et que le chat meurt. Mais il est tout aussi probable qu'aucun atome ne se désintègre, que l'acide cyanhydrique reste dans la bouteille et que le chat reste en vie. Selon les règles de la mécanique quantique, le chat serait alors dans un état de superposition, donc à la fois mort et vivant - jusqu'à ce que quelqu'un aille voir et le trouve soit mort, soit vivant.

Dans la réalité, on n'a jamais entendu parler de chats qui sont à la fois morts et vivants. Et la grande question est donc de savoir pourquoi l'atome peut être dans un état de superposition, mais pas le chat. La réponse se trouve dans la masse et la température. Plus il y a d'atomes impliqués et plus ils se déplacent rapidement, donc plus l'objet est lourd et chaud, plus l'état de superposition perd rapidement sa cohérence. Il interagit avec l'environnement et ne peut donc plus être observé. Dans le cas d'un chat domestique et d'une température ambiante, cela se produit plusieurs fois plus vite que ce que les horloges les plus précises pourraient mesurer, et encore moins que ce que nous pourrions observer.

La musique de la mécanique quantique

Ce sont précisément ces problèmes fondamentaux de la physique qui passionnent Matteo Fadel depuis longtemps. A l'ETH, il tente désormais d'explorer la mystérieuse zone grise entre le monde microscopique de la mécanique quantique et le monde macroscopique de notre quotidien. Si ce ne sont pas des chats, quelle taille et quel poids les objets peuvent-ils atteindre pour que nous puissions encore observer leur comportement en mécanique quantique ?

Le physicien travaille en tant que post-doctorant dans le laboratoire de la professeure de l'ETH Yiwen Chu, qui fait partie des pionniers de l'acoustique quantique. Alors que les états quantiques sont habituellement souvent observés sur des photons, c'est-à-dire des particules de lumière, ou des électrons, ce domaine relativement récent s'intéresse aux effets de la mécanique quantique dans les ondes sonores. Pour ce faire, des qubits supraconducteurs - les vieux briscards de la physique quantique expérimentale - sont couplés à ce que l'on appelle des HBAR (High overtone bulk acoustic wave resonator) via des cristaux piézoélectriques. Il peut s'agir par exemple de fines plaquettes de saphir. Les cristaux piézoélectriques se déforment lorsqu'on les place dans un champ électrique, en l'occurrence le signal électrique provenant des qubits. L'oscillation générée par les déformations périodiques du cristal piézoélectrique est transmise au saphir, qui peut la stocker sous forme d'onde stationnaire acoustique.

Pour Fadel et sa question sur la transition entre le monde microscopique et macroscopique, de telles expériences sont particulièrement intéressantes, car les vibrations dans le HBAR n'impliquent certes pas tout le saphir, mais tout de même plusieurs ordres de grandeur d'atomes en plus que dans d'autres expériences de mécanique quantique. En d'autres termes, la bo?te ne contient pas un chat adulte, mais tout de même un chat de 50 microgrammes.

Si l'on refroidit maintenant le HBAR juste au-dessus du zéro absolu, il est possible d'exciter des phonons individuels, les pendants acoustiques des photons. Fadel - lui-même violoniste passionné - compare volontiers cela à un guitariste qui gratte une corde. Tout comme le son de la guitare s'estompe, le saphir interagit avec son environnement après avoir été stimulé et perd le phonon, et donc son comportement de mécanique quantique, au fil du temps. Suffisamment lentement toutefois pour que les physiciens puissent encore le démontrer.

Avancée vers de nouveaux horizons

Fadel et ses collègues prévoient maintenant de réaliser lesdits états de superposition, de sorte que les atomes qui composent le saphir vibrent simultanément dans différentes directions. En outre, il existe d'autres états quantiques intéressants que les physiciens souhaitent explorer avec le résonateur acoustique. Certains d'entre eux pourraient par exemple être utilisés pour la téléportation quantique ou la réalisation d'ordinateurs quantiques.

Matteo Fadel lui-même s'intéresse particulièrement à ces états qui apportent un nouvel éclairage sur le lien entre la mécanique quantique et la gravitation. Selon Isaac Newton, qui a illustré le principe de la gravitation avec une pomme au lieu d'un chat, cette dernière est d'autant plus forte que deux objets sont proches. Albert Einstein, quant à lui, a postulé dans sa théorie de la relativité que les champs gravitationnels dilatent le temps. Si cela est vrai, le temps s'écoule plus rapidement pour le chat vivant qui a grimpé sur la paroi de la caisse que pour le chat mort qui est couché sur le sol. Cela pourrait être l'une des raisons pour lesquelles l'état de superposition quantique perd sa cohérence avec le temps, même dans le cas d'une bo?te hermétiquement fermée.

Est-il enfin possible de démontrer de tels effets avec les moyens de l'acoustique quantique ? Avec ses recherches, Matteo Fadel veut justement s'aventurer sur ce nouveau terrain de la physique fondamentale. Un terrain où la mécanique quantique, la gravitation et la théorie de la relativité se rejoignent, ou, en d'autres termes, où le fameux animal devient non seulement le chat de Schr?dinger, mais aussi, en quelque sorte, celui de Newton et d'Einstein.