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Histoire de la physique quantique
Contexte
Comme nous avons pu le percevoir à la lecture de ce livre, les principaux concepts de physiques quantiques se comprennent également dans une perspective historique. Qui a avancé telle théorie ? Quand ? Et pourquoi ?
C’est la raison d’être de ce chapitre : rappeler les enchaînements chronologiques qui de découverte en découverte donnent un éclairage logique à l’ensemble et donc probablement aussi à la bonne compréhension des bases de l’informatique quantique.
Le chapitre traite la question de façon chronologique en découpant le temps par décennies à partir des années 1870. Débutant des origines de la physique quantique jusqu’aux toutes dernières avancées de l’informatique quantique.
On peut considérer que la physique quantique commence réellement avec Max Planck au début du XXe siècle. Mais bien évidemment, elle trouve son origine au cours de certaines avancées scientifiques obtenues pendant le siècle précédent, raison pour laquelle cette chronologie débute en 1801 avec la découverte de Thomas Young sur la nature ondulatoire de la lumière.
Histoire chronologique : le XIXe siècle
1. De 1800 aux années 1860
En 1801, le scientifique britannique Thomas Young procède à une expérience fondamentale appelée l’expérience des fentes de Young ou des interférences de Young. L’idée de l’expérience est de faire interférer deux faisceaux de lumière, tous deux issus de la même source. Chaque faisceau passe par des petits trous percés dans un plan vertical. Sur l’écran cible apparaissent des franges sombres et des franges lumineuses mettant en évidence un phénomène de diffraction. Cette expérience, dans son interprétation, permet de conclure à la nature ondulatoire de la lumière.
Elle sera par la suite réalisée avec des particules corpusculaires (des électrons, des atomes, etc.). La diffraction est également observée et la nature ondulatoire de ce type d’émission est donc mise en évidence. Cette expérience est donc un support à ce que l’on appelle la dualité onde-corpuscule (ou onde-particule) qui sera réellement mise en équation plus d’un siècle plus tard par le Français Louis de Broglie.
Dans les années 1850, le chimiste britannique Edward Frankland invente la notion de valence et propose alors une description de la combinaison...
Histoire chronologique : le XXe siècle
1. Années 1900
En 1900, le physicien allemand Max Planck élabore une théorie qui consiste à envisager que l’énergie électromagnétique ne peut être émise que de façon quantifiée. Exprimé autrement, l’énergie électromagnétique lorsqu’elle est émise, est multiple de valeurs quantifiées. On la calcule en multipliant une constante qui sera par la suite nommée constante de Planck par la fréquence de radiation. L’année suivante, il élabore la loi de Planck autrement dit la loi spectrale du rayonnement d’un corps noir.
Au cours de la décennie, Albert Einstein s’intéresse à l’effet photo-électrique et cherche à prolonger l’hypothèse de l’énergie quantifiée de Max Planck. Il remarque que toute matière possède des particules quantiques, y compris la lumière, qui possède ses propres particules élémentaires, les photons. La lumière et le phénomène photo-électrique en général ont eux aussi des niveaux d’énergies quantifiés. On appelle parfois cette hypothèse, l’hypothèse des quantas de lumière.
Le physicien néo-zélandais Ernest Rutherford procède en 1907 à plusieurs expériences qui le conduisent à postuler l’existence du noyau atomique.
2. Années 1910
La Première Guerre mondiale a sans doute pour effet de ralentir le développement de la recherche théorique en physique quantique. La décennie voit tout de même l’élaboration du modèle de Bohr, fondamental dans l’approche du fonctionnement électronique autour du noyau au sein de l’atome.
Se basant sur la formule de Rydberg datant alors de 25 années, le Danois Niels Bohr cherche à expliquer les raies spectrales de l’atome d’hydrogène. Il envisage que les électrons chargés électriquement négativement tournent autour d’un noyau chargé positivement et que ces électrons sont placés sur des sortes d’orbites quantifiées en termes d’énergie. Le passage d’un électron...
Histoire chronologique : le XXIe siècle
1. Années 2000
Durant les années 2000, l’entreprise IBM poursuit ses recherches et semble conserver une longueur d’avance. Ainsi, l’entreprise annonce avoir créé un ordinateur quantique de sept bits quantiques à même de factoriser le nombre 15 avec l’algorithme de Shor mis au point par Peter Shor en 1996. L’ordinateur utilise des molécules à la durée de vie de quelques minutes, ce qui ne permet pas d’avoir une utilisation pérenne de la machine conçue.
2. Années 2010
En 2017, l’entreprise américaine IBM annonce être parvenue à faire fonctionner un ordinateur quantique avec un registre de cinquante bits quantiques pendant 90 microsecondes. L’annonce, comme souvent dans le domaine, n’est que très peu détaillée. Elle illustre deux aspects importants : d’une part la course à l’ordinateur quantique que se livrent les grandes entreprises informatiques mondiales (à des degrés divers, Google, Atos, Intel et bien d’autres annoncent régulièrement des « résultats significatifs » dans le secteur de la simulation quantique) ; d’autre part, cela illustre la constante d’une communication maîtrisée ne laissant filtrer que peu de détails techniques...