lettre 5 septembre 2013-Dossier physique quantique

la lettre
Culture Science
Antipolis
une publication de l’Université Nice Sophia
N°5 - Septembre 2013
unice.fr
La physique quantique :
parfaite et totalement contre-intuitive
La porte s’ouvre sur une vaste plate-forme plantée au milieu d’une dizaine
de mètres carrés. Dessus, des cordons jaunes tissent un réseau de
routes labyrinthique. Sous la gaine, des particules de lumière s’élancent
le long de fils conducteurs ramassés en bouquet. De petits boîtiers
rectangulaires, sortes de tunnels à échangeur, happent les grains de
lumière en silence, ça et là. Du ruban adhésif force la stabilité du tout.
Construire ce petit monde opaque, au rez-de-chaussée du laboratoire de
physique de la matière condensée, à l’Université Nice Sophia Antipolis,
a nécessité dix-huit mois de travail. La moitié d’un temps de thèse. Mais
grâce à ce savant enchevêtrement de pistes, de boulons, de laser, de
cristaux et de plastique, Florian Kaiser a reçu, cette année, le prix de
thèse de la société européenne de physique (1).
Car, avec cet appareillage, les chercheurs peuvent désormais tester
plusieurs hypothèses de la mécanique quantique. Déjà, l’équipe
de Sébastien Tanzilli, avec deux autres unités mixtes de recherche
françaises (2), a pu avancer dans l’étude des comportements de
certaines particules élémentaires, les photons. Dans leur expérience,
des grains de lumière particuliers, appelés «photons intriqués» (des
sortes de jumeaux), se sont lancés dans une course folle, impossible à
comprendre. Puis, les deux protagonistes ont disparu, laissant sur leur
passage une précieuse empreinte.
D’après cette trace, le photon, donc plus largement la lumière, se
comporterait à la fois comme une particule et comme une onde... Un
peu comme s’il était sans cesse pris entre deux états, apparemment
incompatibles. En effet, notre instinct humain aurait plutôt tendance à
associer les objets quantiques à des représentations plus simples et
plus radicales, pensées à l’image de notre perception, du type « noir ou
blanc ». En l’occurrence, la logique commune voudrait que les photons
puissent soit se localiser dans l’espace, comme une balle de tennis, soit
se déplacer à l’image d’une vague, diffuse et génératrice d’interférences
si elle rencontre un obstacle.
L’expérience valide les prédictions quantiques
Or, l’expérience menée fin 2012 met fin à l’idée, « classique » d’une
dualité « onde ou corpuscule ». Elle vérifie également « l’intrication »,
un autre phénomène étrange de la théorie quantique, mise en équations
dès le début du 20e siècle. Dans cette physique, une action à un endroit,
par exemple sur un photon, a des répercussions immédiatement ailleurs,
sur une particule jumelle, c’est-à-dire suffisamment proche à un instant
donné pour corréler son profil énergétique (3) à la première. Ensuite,
même séparées, elles continuent de se calquer l’une sur l’autre. Voilà
une histoire impensable, même pour Albert Einstein. Le scientifique
raillait d’ailleurs cette théorie de Niels Bohr en la qualifiant « d’action
fantôme à distance ».
« On s’est demandé si le photon, au moment de faire un choix, par
exemple celui d’emprunter un chemin plutôt qu’un autre, ne prévenait pas
son jumeau », raconte Florian Kaiser. Dans les expériences conduites au
LPMC, l’une des particules a donc été retenue dans les starting-blocks
puis projetée dans une salle distante de 20 mètres. Les chercheurs ont
aussi choisi de «tromper» le photon en créant un dispositif instable, où la
particule ne sait pas si les scientifiques attendent d’elle qu’elle se comporte
comme un corpuscule ou comme une onde (4). « La configuration
n’apparaît qu’après que la mesure a tué le photon », résume Florian Kaiser.
Or, le « scanner » du photon le montre dans une superposition quantique
d’un état de type « onde » et d’un état de type « particule ». « Avec ça, on
ne sait pas davantage expliquer ce qu’on observe. La théorie se montre
parfaite, simplement elle s’avère totalement contre-intuitive pour nous »,
s’amuse Florian Kaiser. Et cela ne semble même pas poser de problème,
puisque les applications industrielles liées à l’utilisation des propriétés
quantiques vont croissantes. Des chercheurs travaillent par exemple sur
les clefs de chiffrement des messages électroniques (la cryptographie).
Industrie quantique
« Nous allons échanger des photons, porteurs d’un code quantique,
entre deux ordinateurs distants », explique le jeune physicien. Au lieu
d’utiliser des « 1 » et des « 0 » pour crypter un message, comme dans les
codes binaires usuels, le photon se trouve dans un état de polarisation
donné, « vertical » ou « horizontal ». Un tel dispositif, réalisé avec des
photons intriqués, sécurise singulièrement le système. « En effet, les
phénomènes d’adaptation mis en jeu entre ces deux objets, dépassent
la vitesse de la lumière et sont plus forts que tout ce qu’on observe dans
le monde « classique » », décrit Florian Kaiser.
Autrement dit, deux photons intriqués présenteront toujours la même
« marque » de polarisation, contre vents et marées. Evidemment, un
espion, pour savoir quel photon a été envoyé, donc pour cracker le
message, devra réaliser une mesure de cet objet (comme un scanner).
« Mais les objets du monde quantique (les photons, mais également
chaque atome et chaque particule du moindre morceau de matière) se
montrent très fragiles. Ainsi, bien qu’étant l’un des plus insensibles à
son environnement, le photon ne survit à aucune mesure instrumentale.
L’espion va donc détruire l’information », révèle le chercheur. Cela se
remarquera très vite. Naturellement, l’indiscret va essayer de camoufler
son intrusion en envoyant de nouveaux photons, mais cela modifiera le
message...
Une autre application consiste à développer la communication quantique,
selon un procédé assimilé à de la téléportation. Cette fois, les photons
intriqués sont envoyés à distance l’un de l’autre. Ils peuvent en moyenne
parcourir une centaine de kilomètres chacun, sans être déstabilisés
par de petites vibrations ou par un échauffement dans la fibre. Pour
accroître cette distance, les chercheurs ont eu l’idée de créer des «relais
quantiques». «On envoie un troisième photon à hauteur de l’un des
deux autres et on mesure son état quantique. Cela a pour conséquence
la destruction de ces deux photons mais également le transfert des
informations détectées. Ainsi, ce sacrifice ne constitue pas réellement
une perte. Car, entre temps, la particule restante aura reçu, de la part
de son jumeau intriqué, les données codées initialement sur le troisième
photon. On recrée ainsi en quelque sorte l’état de la première particule
tuée, ailleurs», explique Florian Kaiser.
Le photon n’est donc pas téléporté au sens où l’humain a coutume de
l’imaginer. Il ne s’agit pas de désintégrer un ensemble moléculaire pour
le ré-assembler ailleurs. Pourtant, l’état quantique de la particule est
imité sur un sosie parfait. Après le laser, le transistor, le circuit intégré
et toute l’électronique, le monde technique de la technologie poursuit
ainsi sa mutation vers le quantique. Côté théorique, grâce au montage
de Florian Kaiser, les chercheurs pousseront encore les expériences
fondamentales. « Pour la première fois, nous avons la possibilité de
tester plusieurs choses sur une même plate-forme, car nous disposons
de trois sources de paires de photons intriqués différentes », se réjouit le jeune
physicien. Le Laboratoire espère notamment réaliser des expériences
avec de très petits atomes. De là à imaginer des dispositifs de
téléportation sur de complexes et gigantesques assemblages d’atomes,
comme le corps humain ? « Je doute même que nous y arrivions un jour
avec une chaise », plaisante Florian Kaiser.
Laurie CHIARA
Florian Kaiser et Sébastien Tanzilli
Crédits photos : Service Communication de l’UNS - Aurélie Macarri
(1) Le prix EPS Quantum Electronics and Optics Prize - Applied aspects récompense une ou
plusieurs personnes pour leur contribution exceptionnelle dans les domaines de l’optique
quantique ou de l’électronique quantique.
(2) L’équipe Information Quantique avec la Lumière & la Matière -QILM (UNS/CNRS) du
laboratoire de physique de la matière condensée à Nice, le laboratoire Matériaux et
Phénomènes Quantiques – MPQ (CNRS/Univ. Paris Diderot) et de l’institut des Sciences
Moléculaires d’Orsay – ISMO (CNRS/Univ. Paris Sud).
(3) Les caractéristiques quantiques d’un photon sont ses états de polarisation possibles, son
temps d’émission, sa fréquence, sa quantité de mouvement
(4) Pour ces expériences, les physiciens disposent généralement d’un appareil, appelé
interféromètre, sensible au comportement « onde » ou « corpuscule ». Quand son oeil est
«ouvert» il enregistre le passage de grains et s’il est «fermé» celui de vagues. Or, avec un
dispositif réarrangé pour être en même temps fermé et ouvert (une situation d’incertitude
courante dans le monde quantique), le photon avance en quelque sorte en aveugle. Les
chercheurs empêchent ainsi la particule de s’adapter, éventuellement, à son contexte.
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Avant et après la thèse :
Les débouchés
Florian Kaiser a choisi de poursuivre son travail de recherche au
Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, sous la direction de
Sébastien Tanzilli, encore un an après la fin de sa thèse. Dans quelques
mois, il espère travailler pour l’industrie quantique, en Allemagne, son
pays d’origine, en France ou aux Etats-Unis. Lasers haute puissance
pour la coupe de métal, lasers utilisés dans les laboratoires scientifiques,
ordinateurs quantiques : les perspectives ne manquent pas.
La formation
Le LPMC est un des laboratoires de physique de l’UNS.Plusieurs Masters
lui sont adossés :
• P3M, en collaboration avec l’école supérieure des Mines de Paris
et l’Université de Toulon-Var. Parcours « recherche » Physique des
Matériaux, Mécanique et Modélisation numérique
• Master Professionnel Génie Biomédical.
• Master Matériaux Qualité et Management, une formation en
alternance pour devenir Chef de Projet.
• Master Optique
• Master Modélisation et Calcul Scientifique
En savoir + : http://lpmc.unice.fr/spip.php?rubrique31
Formation
Jardin des sciences
Entre sciences de l’éducation et culture
scientifique, Estelle Blanquet, agrégée de
physique et formatrice ESPE (Écoles Supérieures
du Professorat et de l’Éducation), a eu l’idée de
jardins des sciences. Ces ateliers, destinés aux
enfants de 5 à 11 ans et aux professeurs du
premier degré, ont pour objet l’acquisition de la
démarche d’investigation.
Comment les expériences du jardin des sciences sont-elles
construites?
Avant Nice, je suis passée par les IUFM de Besançon et de Nevers, avec
une parenthèse en Asie. Au Viet-Nam, j’ai découvert de petites libellules
en bambou qui tenaient sur le bout du doigt, ou encore une machine
toute simple à écraser le riz. J’ai tout de suite senti que je pouvais adapter
ces «outils», éminemment ludiques, à l’apprentissage de concepts. Par
exemple, le dernier appareil cité est devenu «l’écrase-biscotte». Les enfants fabriquent une machine à levier avec des tiges en bois et des bouteilles en plastique. Ils l’actionnent avec de l’eau et découvrent comment
écraser des biscottes sans les toucher. Ils apprennent, grâce à des essais/
erreurs, comment ça marche et comment démonter/remonter la machine.
Après, tout dépend du public. Entre 5 et 11 ans, la démarche peut varier.
Notamment, on ne peut pas anticiper les réponses de la même manière.
Typiquement, un enfant de maternelle aura plus de difficultés à extrapoler qu’un élève de CM2. Comme il est beaucoup moins dans la planification, il a besoin très vite de «mettre les mains dedans». Plus tard, on
pourra demander aux élèves de dessiner ou d’écrire, de discuter entre
eux avant de mettre les idées à l’épreuve.
Comment se fait le choix des concepts abordés?
Dans le désordre : je regarde le programme, ce qui m’amuse et ce qui
est accessible aux enfants. Pour cela, il me semble incontournable d’aller
dans les classes, de tester des choses sur le terrain. Il est essentiel de
croiser les compétences scientifiques avec celles, pédagogiques, des
professeurs. Si je veux, en tant que formatrice, être crédible, il faut que
ce que je raconte ait été testé et approuvé. Ensuite, dans le domaine,
beaucoup de choses existent déjà. Il ne faut pas hésiter à s’appuyer
dessus.
Face à l’ampleur de l’offre de culture scientifique (ouvrages, accueils associatifs, centres de loisirs, musées spécialisés, Fondation Main à la Pâte), comment faire son tri?
Je ne sais pas. Chaque enfant a son développement propre. Personnellement, avec le jardin des sciences, j’instaure, dans la tradition d’apprentissage de l’école, une routine intellectuelle. Je choisis d’intervenir
très tôt parce que les petits sont de vraies éponges! Donc, plus vite on
commence à intervenir auprès d’eux, plus on régularise les interventions,
mieux c’est. Le jardin des sciences s’inscrit dans une chronologie de
l’apprentissage. Car la maîtrise de la démarche d’investigation facilite
l’apprentissage des sciences tout au long de la formation. Il y est d’ailleurs fait référence explicitement dans les programmes officiels, à tous
les niveaux.
Dans quel contexte est-il possible d’assister à un jardin des
sciences?
Mon module de formation à l’ESPE de Nice est réservé aux étudiants qui
se destinent au métier de professeurs des écoles. Aujourd’hui, il existe
ainsi deux versions des jardins: une qui se déroule le temps de la Fête
de la Science, dans le parc Valrose de l’Université. Elle mobilise les étu-
diants de Licence parcours «Sciences et Culture». L’autre entre dans le
cadre de la formation continue des enseignants en poste. À son issue, au
mois de mai, se monte un jardin des sciences réalisé par et pour les enfants. Par exemple, cette année à Mouans-Sartoux, près de mille élèves
ont visité et animé des ateliers.
Ce principe d’enfant-animateur rappelle les Exposciences, d’origine
québécoise, exportées depuis 1985 en France. Est-il opportun de
faire ce rapprochement?
Il me semble qu’à la différence d’une Exposciences, ici, justement, rien
ne s’expose, tout se découvre. La méthodologie consiste à placer les
enfants face à un problème à résoudre. Dans un premier temps, leur
professeur les guide au moyen de questions/défis de plus en plus précis,
Par exemple, comment réaliser différents équilibres horizontaux avec du
matériel présenté en classe. S’il s’agit de primaires, les élèves imagineront des dispositifs à construire et les représenteront sur papier. Puis,
ils les compareront les uns aux autres, tenteront de dégager des règles.
Ils testeront alors leurs idées avec du matériel très simple. Pas à pas,
à force d’extrapoler et d’expérimenter des variantes, ils découvriront le
principe du levier (1). En fin d’année, les enfants sont en mesure de faire
la même chose que ce que l’enseignant a lui-même réalisé en classe. Ils
le réalisent évidemment à leur niveau, mais tout en ayant dépassé leurs
représentations du monde initiales, naïves. Ils se trouvent alors dans la
posture de transmettre cela même à des plus grands.
Quels sont les perspectives de développement du jardin des
sciences?
L’université organisera en juin un jardin des sciences européen qui intégrera le travail des étudiants en formation et celui des classes. Il se déroulera à la faculté des sciences de Valrose à Nice. Si cela fonctionne, à
terme, pourquoi ne pas alors imaginer un réseau de jardins des sciences
européen?
Sur un plan plus pragmatique, des études réalisées en Écosse estiment
à une centaine d’heures le temps nécessaire pour aborder la démarche
d’investigation. Il faut en effet dépasser ses propres représentations erronées. Or, en ESPE, je suis loin du compte. Il y aurait donc un développement à espérer en ce sens. Enfin, j’achève cette année une thèse
en didactique des sciences. Ceci m’amène à conduire des interviews
auprès des enfants impliqués dans un jardin des sciences. Je sais que
les bons réflexes rentrent. Mais l’idéal serait de pouvoir réaliser de véritables études longitudinales, par exemple là où les jardins des sciences
existent depuis 5 ans en primaire. Et pour cela, il faut plus que deux bras
et une tête...
(1) Estelle Blanquet est l’auteur de Sciences à l’école, côté jardin - Le
guide pratique de l’enseignant paru en 2010 chez Somnium. Pour
retrouver l’expérience citée dans l’article : p.173, activité E-13).
Sciences publiques
La radioactivité
de Homer à Oppenheimer
L’AGENDA :
VILLAGE SCIENCES
DES
12
VALROSE
octobre 2013
14h/18h
Entrée libre et gratuite
9 >13
octobre 2013
11h/18h
fd s -valro s e.u n ice.fr
Des stands
pour toute la famille
Dès 3 ans avec le jardin des Sciences,
des conférences de Chercheurs
Buvette
JEU
Valrose
Express
Le 12/10
retrouvez
l’Année des
Mathématiques
de la planète
Terre
DDRT
09-13 Octobre
Village des Sciences
Valrose
fds-valrose.unice.fr
Le 12 octobre 1988, Steve
Jobs présentait l’un des
ordinateurs les plus
mythiques. L’Espace Turing,
en attendant l’inauguration
d’une exposition à l’ ]AvantScène[ (campus Saint-Jean
d’Angély 1), dédie une page
facebook aux 25 ans de la
machine NEXT.
https://www.facebook.com/
next25ans
L’exposition de l’Agence nationale pour la
gestion des déchets radioactifs (Andra) entame
la troisième étape de son tour de France à la
Fondation Sophia Antipolis. Le public dispose
d’archives, de posters, de bandes audio, de
reconstitutions et d’expériences interactives pour
aborder tous les aspects liés à la radioactivité. Il
y est en effet question d’applications médicales,
de découverte de l’atome, des «années folles»
du radium, jusqu’aux risques liés à l’armement
et à la procduction d’énergie à grande échelle.
«Nous souhaitions donner au visiteur toutes les
clefs pour comprendre, s’interroger, se forger
une opinion personnelle et citoyenne», déclarait
Valérie Renauld, Directrice de la communication
de l’Agence.
+ infos : http://www.sophia-antipolis.org
Parcours Botanique
du département de chimie
Le département de Chimie de l’Université Nice Sophia
Antipolis sème les graines d’un jardin botanique au coeur
du Parc Valrose. Trois étudiantes en Master ont sélectionné
cette année une centaine de plants, dont les extraits trouvent
une application en cosmétique, dans l’industrie alimentaire,
la pharmaceutique ou encore la parfumerie. Elles ont
aménagé une première bande de terrain devant leur bâtiment,
avec le soutien de l’UFR Sciences et avec le directeur des
Espaces Verts. Lors de l’inauguration le 16 juillet dernier, le
Professeur Xavier Fernandez et Stéphane Azoulay, Maître
de conférences en chimie, ont salué le travail accompli. Des
fiches de vulgarisation accompagnent chaque pied, avec
une représentation de la molécule d’intérêt, le nom de la
«famille» chimique à laquelle elle appartient, une liste
des utilisations courantes ou encore les différentes
formes rencontrées.
crédit : Laurie Chiara
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Culture Science
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