Préface d'un physicien
Préface de l'auteur
Comment lire ce livre

Partie 1 | Mathématiques

Chapitre 1 : L'efficacité déraisonnable des mathématiques
1.1 Comment le trône d'Aristote est tombé
1.2 Les découvertes de Galilée
1.3 On peut reconnaître un lion à ses griffes.
1.4 Calcul mathématique

Chapitre 2 Symétrie
2.1 Ordre de symétrie
2.2 Lorsque la symétrie est rompue
2.3 Groupes à l'origine de la structure symétrique
2.4 Tambours et atomes

Partie 2 | Quantum

Chapitre 3 : L'(im)possibilité des particules
3.1 Trouver la réponse
3.2 La lumière, à la fois ondulatoire et corpusculaire
3.3 Les premiers modèles atomiques
3.4 Fibrés de particules et d'ondes
3.5 La mécanique quantique vue à travers l'expérience des fentes de Young
3.6 Le microscope de Heisenberg

Chapitre 4 : La première révolution quantique
4.1 Accepter la vague
4.2 Ondes d'information
4.3 Explication théorique des deux fentes
4.4 Effet tunnel quantique
4.5 Mécanique matricielle
4.6 La beauté est vérité, et la vérité est beauté.
Spin Stern avec 4,7 qubits

Chapitre 5 : Philosophie quantique
5.1 Absurdités quantiques
5.2 Enchevêtrement
5.3 Bohr contre Einstein
5.4 Paradoxe EPR
5.5 Schrödinger envoie son chat
5.6 Qui va sonner la cloche ?
5.7 Context

Chapitre 6 Un, Deux, Plusieurs
6.1 Indiscernabilité des particules
6.2 Hôtel Hilbert
6.3 Atomes et molécules
6.4 Matériaux solides
6.5 Quantum Color
6.6 Boss, Einstein et Laser

Chapitre 7 Poudings et fromages en grains
7.1 Expériences en physique subatomique
7.2 Théories de la physique subatomique
7.3 Nous venons tous des étoiles

Chapitre 8 : Anderson s'avance
8.1 Création
8.2 Renormalisation
8.3 Supraconductivité
8.4 La découverte de la perfection

Chapitre 9 : La seconde révolution quantique
9.1 Technologies de mesure quantique
9.2 Simulation quantique
9.3 Information quantique
9.4 Complexité quantique
9.5 Ordinateurs quantiques
9.6 Erreurs quantiques
9.7 Reconstruction quantique et particules intriquées

Épilogue
Remerciements
Glossaire des termes
Recherche

La mécanique quantique est compréhensible
C'est un domaine que tout le monde devrait comprendre !

Le célèbre physicien Feynman a un jour déclaré : « Personne ne comprendra jamais la mécanique quantique » (lors d'une conférence à l'université Cornell en 1964).
Cependant, un livre a été publié qui conteste l'affirmation de Feynman, affirmant que la mécanique quantique n'est pas du tout incompréhensible.
Il s'agit de « Mécanique quantique minimale », un ouvrage écrit par un physicien belge et son épouse.
« N’importe qui peut se familiariser avec le monde atomique en comprenant quelques idées fondamentales, telles que la symétrie, le principe d’exclusion ou le principe d’incertitude. »
« (…) La mécanique quantique est une discipline difficile et contre-intuitive, mais cela ne doit pas être exploité pour la sacraliser, et les livres populaires ont le devoir d’empêcher une telle sacralisation », déclare l’auteur, un physicien, à propos du contexte du livre.


Un autre co-auteur affirme que l'une des raisons pour lesquelles nous devons comprendre la mécanique quantique est que « la mécanique quantique fait déjà partie intégrante de la culture, au même titre que la littérature, la musique, le théâtre et le cinéma ».
Les lasers placés devant les caisses automatiques des supermarchés, les IRM indispensables au traitement du cancer et Skype, qui nous permet de communiquer avec nos voisins à l'autre bout du continent, sont tous des produits de la mécanique quantique.
De même que « la musique peut être appréciée même si on ne la comprend pas pleinement », il invite les lecteurs à apprécier ce livre, en disant : « Les physiciens quantiques, eux aussi, apprennent à travailler et à vivre avec la mécanique quantique même s’ils ne la comprennent pas pleinement. »

L'esprit radical qui a donné naissance à la mécanique quantique

Le premier épisode qui ouvre le texte est l'expérience de chute de Simon Stevin au XVIe siècle.
L'expérience consistait à laisser tomber simultanément une boule de plomb et une autre boule de plomb 10 fois plus lourde d'une hauteur de 9 mètres.
Les deux balles ont bel et bien atterri simultanément avec un seul « boum », et Stevin a conclu : « La théorie d'Aristote était fausse. »


L'auteur considère cela comme un événement audacieux et radical qui brise les idées fausses qui ont persisté pendant deux mille ans depuis Aristote, et déclare : « Si nous voulons explorer la mécanique quantique, nous devons imiter l'esprit radical de Stevin. »
L'auteur soutient que c'est grâce à l'héritage spirituel de Stevin que Werner Heisenberg et Erwin Schrödinger ont pu devenir des pionniers de la mécanique quantique et bouleverser complètement le monde de la physique classique.


Galilée, le savant le plus influencé par Stevin, a mené la « deuxième expérience de la chute » et a découvert que les mathématiques étaient la clé pour expliquer la nature.
Il s'agissait là d'une intuition révolutionnaire pour l'époque, car c'est grâce aux mathématiques que la science a finalement atteint l'objectivité et l'immuabilité.
« Galilée a transformé la physique en mathématiques et l'a séparée de la philosophie et de la religion, ce qui lui a valu la colère de l'Église et des autres sceptiques. »
Des siècles plus tard, la mécanique quantique a poussé son application à l'extrême », explique l'auteur.
S’appuyant sur cette découverte, Newton inventa la formule du calcul infinitésimal, qui ouvrit finalement la voie à la recherche quantique en permettant de connaître le passé et l’avenir des particules.

Quelles sont les deux révolutions quantiques ?
Le présent a changé grâce à la physique quantique, le futur a changé grâce à la physique quantique.

La première révolution quantique fut la « mécanique matricielle », inventée par Werner Heisenberg en 1925.
La mécanique matricielle est une découverte très importante car elle constitue le fondement mathématique de la mécanique quantique.
Les inventions d'Heisenberg, les quaternions et la mécanique matricielle, jouent un rôle clé dans les smartphones, les consoles de jeux et la technologie de traitement d'écrans numériques d'aujourd'hui.
Cette technologie est également utilisée dans l'algorithme de liens de Google, dans les algorithmes utilisés par les fonds spéculatifs, dans Chat GPT, dans les prévisions météorologiques et dans Google Maps.


Ce qui a rendu possible la recherche d'Heisenberg, c'est la fonction d'onde découverte par Schrödinger, également connue sous le nom d'équation de Schrödinger.
« L’équation de Schrödinger a ouvert la porte à une ère nouvelle. »
Tout ce qui est traité dans ce livre, du moins d'un point de vue mathématique, est, directement ou indirectement, une application de cette unique équation.
Ce que Schrödinger lui-même ignorait, c'est que d'autres (bientôt) seraient capables d'utiliser ses équations magiques pour expliquer parfaitement toute la matière.
« La supraconductivité, les forces nucléaires et pratiquement toute la matière », affirme l'auteur.


Le début de la deuxième révolution quantique a été officiellement marqué par la création du premier condensat de Bose-Einstein dans un laboratoire de Boulder, dans le Colorado, le 5 juin 1995.
Peu après, le premier prototype d'ordinateur quantique fut construit, composé de seulement deux qubits.
Dès lors, affirme l'auteur, « le monde entier fut captivé par le charme de la mécanique quantique ».
« Les horloges atomiques sont 100 % quantiques », affirment les auteurs. « Sans horloges atomiques embarquées, le GPS serait totalement inopérant. »


L'auteur cite Richard Feynman comme « la première personne à avoir abordé de manière constructive les effets quantiques, qui étaient considérés comme une nuisance due à la miniaturisation constante des transistors informatiques ».
Dans sa conférence intitulée « Il y a beaucoup de place en bas », Feynman a souligné l'importance de la miniaturisation et tous les obstacles et opportunités qu'elle comporte.
Nous allons ensuite présenter un défi aux fabricants de puces confrontés aux limites de la miniaturisation et aux limitations quantiques.
La technologie révolutionnaire qui nous permet de rêver de supraconducteurs à température ambiante repose elle aussi sur la mécanique quantique.


De plus, des innovations dans le domaine des technologies de l'information et de l'informatique émergent grâce à l'utilisation des systèmes quantiques.
Qu’est-ce qu’un ordinateur quantique exactement ? Ce livre propose une définition précise de l’ordinateur quantique d’un point de vue technique.
De plus, il explique en détail, sur le plan technique, pourquoi les ordinateurs quantiques présentent un avantage en termes d'efficacité par rapport aux ordinateurs classiques.


À l'ère de la seconde révolution quantique, les géants de l'informatique tels que Google, Amazon, Microsoft, Intel et IBM investissent massivement dans la conception et le développement de systèmes qui permettront de créer de véritables ordinateurs quantiques.
À l'heure actuelle, on considère que les ordinateurs quantiques restent un rêve lointain pour résoudre des problèmes véritablement importants.
Cela s'explique par les limitations technologiques qui subsistent quant à l'interaction de nombreux qubits.
Le livre explique en détail les limites et les avancées.


« Que signifierait pour la physique l’impossibilité, malgré tout le battage médiatique et les investissements astronomiques, de voir le jour ? », s’interroge l’auteur, avant de décrire le principal défi que représente la mise en œuvre des ordinateurs quantiques.
Ceci conduit naturellement au concept de correction d'erreurs.
Expliquez la signification exacte de la correction d'erreurs de la manière la plus simple et la plus détaillée possible.
Le défi restant consiste à intégrer ce système de correction d'erreurs dans un système quantique, un obstacle que nous aborderons en détail sur le plan technique.
Il explique également deux possibilités pour résoudre l'erreur.


Le discours de Stephen Hawking sur les trous noirs est également très intéressant ; il s’agit de l’un des paradoxes les plus célèbres qui surgissent à la rencontre de la mécanique quantique et de la gravité.
« Hawking était convaincu que quelque chose d’irréversible se produisait à l’intérieur d’un trou noir. »
Une fois que vous êtes entré, c'est fini.
Disparu à jamais.
L'évaporation des trous noirs était considérée comme incompatible avec les principes de la mécanique quantique et de la physique gravitationnelle généralement acceptés à l'époque.
De son point de vue, les fondements mêmes de la mécanique quantique nécessitaient un réexamen approfondi », dit-il, poursuivant son récit par un pari entre Hawking et John Preskill.
Le point de vue de Preskill était très quantique, et par conséquent sa position était diamétralement opposée à celle de Hawking.
Qui remportera ce pari ? La réponse se trouve au chapitre 9.


Aucun lecteur ne comprendra tout ce qui est écrit dans ce livre, et ce n'est pas nécessaire.
Bien que certaines parties abordent des sujets très spécialisés, la majeure partie du texte est rédigée de manière à être facilement compréhensible même par le lecteur non spécialiste.
La structure et le contenu sont suffisants pour satisfaire aussi bien les débutants que les experts.
Ce livre vous aidera à prendre conscience que notre présent dépend déjà fortement de la mécanique quantique, et que notre avenir dépend également en grande partie de la recherche en mécanique quantique.

Le Dr Jae-Wan Kim, ancien professeur à l'Institut coréen d'études avancées et premier président de la Société coréenne d'information quantique, a déclaré : « Ce livre explique le sens caché des mathématiques utilisées pour exprimer correctement la mécanique quantique », et John Preskill, professeur Feynman de physique théorique à Caltech, a fortement recommandé ce livre, affirmant : « Ce livre est incomparable à tout autre livre de physique. »