Quantique: une théorie sans application pratique?

Parce qu’elle est abstraite et contre-intuitive, la physique quantique est souvent perçue comme une construction purement mathématique, sans applications concrètes à notre échelle. Pourtant, plusieurs de ses applications font d’ores et déjà partie de notre vie de tous les jours.

En 2019, le physicien français Julien Bobroff expliquait, en réponse à ceux pour qui la physique quantique ne sert à rien, qu’il s’agit selon lui de la discipline la plus utile de la physique moderne.

La physique quantique a permis de mieux comprendre le comportement des particules, leurs interactions et les forces qui les influencent. Et lorsqu’on peut prédire le fonctionnement de la lumière, des atomes et des électrons, il est possible de les manipuler, souligne le physicien.

1) Les lasers

Le premier laser a été produit en 1960, mais cette invention est le résultat de plusieurs décennies d’observations scientifiques, expliquait en 2020 un professeur de physique et d’optique de l’Université de Caroline du Nord.

Cette technologie est en effet basée sur le principe quantique qui veut que la lumière soit émise et absorbée par les atomes en petits «paquets» d’énergie: les photons.

Plus particulièrement, le laser repose sur un phénomène quantique appelé «émission stimulée», peut-on lire sur une page du site de l’Institut de technologie de Californie (Caltech) qui s’intéresse aux applications quantiques.

Un photon est alors utilisé pour forcer un électron à changer de niveau d’énergie et à émettre un photon identique. Cela crée un faisceau de lumière concentrée, puisque les ondes lumineuses vont toutes dans la même direction.

Les lasers se retrouvent entre autres dans les lecteurs CD, dans les lecteurs de code-barre des épiceries, les imprimantes laser ou les instruments pour découper des matériaux, écrivait en 2023 le docteur en physique nucléaire Pierre Henriquet.

2) Les semi-conducteurs et les appareils électroniques

Les semi-conducteurs sont des matériaux qui peuvent réagir différemment à une grande variété de courants électriques et de voltages, explique-t-on sur le site de Caltech.

Ces matériaux ont vu le jour grâce à la compréhension du comportement des électrons, soulignait Pierre Henriquet.

En effet, la capacité à conduire l’électricité est la conséquence directe de celle des électrons de se superposer dans différents états, une propriété quantique. Le comportement des semi-conducteurs se situe entre celui d’un conducteur et celui d’un isolant.

Cela signifie qu’ils peuvent conduire l’électricité dans certaines situations et la bloquer dans d’autres, expliquait en 2023 un scientifique de l’Université Stanford spécialisé dans l’étude des semi-conducteurs.

Toute l’électronique moderne repose sur leur utilisation, ajoutait le physicien.

3) Le GPS

Le GPS est un système de positionnement par satellites qui permet à un utilisateur de connaître sa position. Pour calculer cette position, les GPS doivent utiliser des horloges très précises, les horloges atomiques, explique-t-on sur la page de l’Université de Waterloo consacrée aux applications de la physique quantique.

Dans les années 1870, les physiciens ont découvert que les atomes pouvaient absorber et émettre des ondes lumineuses avec une fréquence unique pour chaque élément.

Cette fréquence peut donc agir comme le tic-tac d’une horloge, explique le National Institute of Standards and Technology des États-Unis.

Par exemple, certaines horloges atomiques utilisent les atomes de césium qui émettent de l’énergie quand ils sont exposés à une fréquence très précise de microondes. En mesurant cette énergie, cela permet de s’assurer que le quartz — l’oscillateur dans l’horloge atomique — conserve toujours la bonne fréquence.

4) L’imagerie par résonance magnétique

Selon le site de l’École de médecine Johns Hopkins, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) est une méthode qui permet d’obtenir des images détaillées de presque toutes les structures du corps humain.

Cette technologie dépend du «spin» du noyau de l’atome, une propriété quantique des particules qui n’existe pas en physique classique.

Dans une machine d’IRM, un champ magnétique aligne d’abord les atomes du corps grâce à leur «spin», puis une onde radio brise cet alignement. Cependant, quand l’onde radio s’interrompt, les atomes retournent à leur position initiale et émettent un signal qui peut être converti en image par un ordinateur, explique-t-on sur le site de la National Science Foundation des États-Unis.

5) Les microscopes électroniques

Les microscopes optiques permettaient d’observer des cellules, des champignons, des protozoaires et des bactéries. Ils n’étaient toutefois pas assez puissants pour voir toutes les composantes internes d’une cellule ni les virus.

Pour construire un meilleur microscope, il a fallu avoir recours à une radiation possédant une longueur d’onde plus courte que la lumière visible, explique-t-on dans la page sur le fonctionnement du microscope électronique du ministère américain des Anciens combattants.

C’est la percée qu’on doit à Louis DeBroglie. En 1924, celui-ci a démontré qu’un faisceau d’électrons qui voyagent dans le vide se comporte comme une forme de radiation avec une très courte longueur d’onde, raconte-t-on dans l’article sur le microscope électronique de l’encyclopédie Britannica.

De plus, dès 1926, on a observé que des champs magnétiques et électrostatiques pouvaient être utilisés comme lentilles pour les électrons ou les autres particules chargées. C’est ce qui a permis de mettre au point les microscopes électroniques.

Verdict

Les applications de la physique quantique remontent dans certains cas à plusieurs décennies. Loin d’être uniquement théorique, c’est une partie de la physique qui a engendré des révolutions technologiques dans plusieurs secteurs.