Comprendre la physique quantique : pourquoi ne pas y saisir grand-chose.

La physique quantique a été théorisée en 1900 par le physicien allemand Max Planck pour résoudre des problèmes constatés par les chercheurs à l’échelle infiniment petite. Les processeurs quantiques peuvent se retrouver dans les deux états à la fois, permettant des « puissances de calcul sans commune mesure avec celles des ordinateurs classiques, même les plus puissants », explique Ivan Kiriow.

Qui n’a jamais eu un mouvement de recul en entendant les mots « physique quantique » ? Cette discipline obscure, qui intimide autant qu’elle fascine, est souvent jugée incompréhensible par le grand public. Cependant, en cette année internationale de la science et de la technologie quantiques, et à la suite de l’attribution du prix Nobel de physique 2025 à trois chercheurs en mécanique quantique, nous avons décidé de nous intéresser de plus près à cette discipline qui a transformé notre compréhension du monde. Pourquoi est-elle si complexe à appréhender ? À quoi sert-elle réellement ? Pas de panique, nous vous expliquons tout !

« Il est vrai que la première réaction de nombreuses personnes lorsque l’on aborde la physique quantique est de dire « on laisse tomber, c’est beaucoup trop compliqué » », reconnait Céline Broeckaert, coautrice de Pourquoi personne ne comprend rien à la physique quantique (éd. Quanto, à paraître le 30 octobre). Bien qu’il soit impossible de comprendre ou d’expliquer ce sujet sans recourir à des mathématiques et des formules très élaborées, les gens peuvent néanmoins appréhender les idées et les concepts qui le sous-tendent, assure-t-elle.

La base est en réalité simple : la physique quantique concerne les règles qui régissent « les particules les plus petites qui existent ». Elle a été théorisée en 1900 par le physicien allemand Max Planck, qui a dû faire face à un problème observé par les scientifiques : « les lois de la physique connues à l’époque – relatives au mouvement des corps, à la gravitation, à l’électromagnétisme et à la thermodynamique – ne fonctionnaient plus lorsque l’on observait la matière à cette échelle infiniment petite », explique Ivan Kiriow, auteur et vulgarisateur scientifique.

« En postulant que l’énergie est composée de particules, Max Planck a pu expliquer de nombreux phénomènes jusque-là inexpliqués », développe Céline Broeckaert. Ce principe, bien qu’en désaccord avec la physique de Newton, qui soutenait que l’énergie ne pouvait pas être constituée de particules, était d’abord perçu comme une simple astuce mathématique avant d’être validé par Einstein plus tard.

Cette nouvelle approche a notamment permis de comprendre la matière, qui demeurait un mystère avant l’avènement de la physique quantique. « Pourquoi la matière est-elle rigide quand on appuie avec notre doigt sur une table ? Pourquoi notre doigt ne s’enfonce-t-il pas dans la table ? Ce sont des effets purement quantiques, liés à la plus petite échelle », explique Frank Verstraete, chercheur en mécanique quantique à l’université de Cambridge et également coauteur de Pourquoi personne ne comprend rien à la physique quantique.

La complexité de cette physique vient du fait que ses lois sont totalement contre-intuitives. Par exemple, une particule peut se trouver à deux endroits en même temps. « Il faut cesser d’adopter une logique classique car beaucoup de choses ne le sont pas, il faut simplement accepter que c’est ainsi », affirme Céline Broeckaert. La physique quantique présente également un autre « problème » : « Il est très difficile de se représenter ce qu’elle décrit et de relier cette théorie à la réalité », précise Ivan Kiriow.

Ces difficultés rendent donc cette discipline très étrange pour les non-scientifiques… mais également pour les physiciens : « même les spécialistes de la mécanique quantique reconnaissent souvent un certain niveau d’incompréhension », indique le vulgarisateur. « Si vous croyez comprendre la mécanique quantique, c’est que vous ne la comprenez pas », avait d’ailleurs déclaré le physicien américain Richard Feynman, prix Nobel de physique en 1965. Ivan Kiriow commente : « Ce qu’il voulait dire, c’est qu’il est possible de comprendre la théorie, de maîtriser les aspects mathématiques, mais cela reste en contradiction avec notre compréhension intuitive du monde ».

Ajoutons plusieurs des phénomènes étranges de la physique quantique. Le plus spectaculaire a été mis en évidence par l’expérience des deux fentes : en « envoyant de petites particules vers une plaque percée de deux fentes, on a observé qu’une même particule pouvait passer par les deux ouvertures simultanément », explique Céline Broeckaert. Cela a démontré la dualité onde-corpuscule, signifiant que les particules se comportent à la fois comme des particules et comme des ondes.

Une fois ce principe établi, « toutes les expériences ou éléments intrigants de la mécanique quantique découlent de ce phénomène », poursuit Frank Verstraete. Il en va de même pour une autre étrangeté : l’intrication quantique. « Lorsque deux particules qui formaient une unité à un moment donné sont séparées, elles continuent à s’influencer mutuellement », explique le physicien. « Après avoir mesuré une particule, cela a immédiatement un effet sur l’autre, même si l’une se trouve en France et l’autre en Nouvelle-Zélande ».

Aussi complexe soit-elle, la physique quantique est omniprésente dans notre quotidien et « explique tout ce que nous voyons, sentons et découvrons », s’amuse Frank Verstraete. Les couleurs en sont un bon exemple : « Sans la mécanique quantique, il est impossible d’expliquer comment cela fonctionne », poursuit le scientifique. En résumé, « toutes les molécules ont des électrons, et ces électrons peuvent posséder des niveaux d’énergie très spécifiques. La lumière, en revanche, a de nombreuses énergies différentes, mais seules celles compatibles avec celles des électrons de la matière peuvent être absorbées. Les autres sont réfléchies, ce qui crée les couleurs ».

Cette discipline est également à la base des technologies que nous utilisons quotidiennement. La physique quantique explique notamment comment la matière conduit l’électricité et a permis le développement des semi-conducteurs et des transistors. « Dès qu’un processeur est impliqué, il s’agit d’un système quantique », souligne Ivan Kiriow. Les lasers et toutes leurs applications découlent également de la physique, un concept théorisé et prévu par Einstein dès les années 1920, puis appliqué techniquement, comme dans les lecteurs de CD.

Actuellement, le projet majeur en physique quantique est l’ordinateur quantique, qui est en plein développement. Contrairement aux circuits classiques qui peuvent être soit ouverts, soit fermés – les fameux 0 et 1 de la programmation –, les processeurs quantiques peuvent se trouver dans les deux états simultanément, offrant des « capacités de calcul inégalées par rapport aux ordinateurs classiques, même les plus puissants », explique Ivan Kiriow. La physique quantique « fait partie de nos vies et y jouera un rôle croissant », prévient le vulgarisateur : « Aussi étrange soit-elle, elle fonctionne et possède des applications de plus en plus concrètes ».