Le tunnelage quantique est absolument fou, voici ce que vous devez savoir

Le monde quantique est devenu beaucoup plus fou.

Tunnel de téléportation quantique
Le tunnelage quantique sera-t-il finalement possible ?

Pour les non-initiés, la physique quantique est une branche de la science qui décrit les particules qui composent la matière et les forces avec lesquelles elles interagissent. Si nous avons appris quelque chose sur le monde quantique, c’est ceci : le monde quantique est bizarre. À une échelle inimaginable, les choses se comportent de manière contre-intuitive. Les physiciens ont peut-être une bonne connaissance de certaines des mathématiques qui sous-tendent la physique quantique, mais ces mathématiques peuvent parfois indiquer des choses qui les laissent perplexes.

Niels Bohr a dit un jour que “ceux qui ne sont pas choqués lorsqu’ils rencontrent pour la première fois la théorie quantique ne peuvent pas l’avoir comprise”.

Dans le monde quantique, il est possible que des particules enchevêtrées communiquent plus rapidement que la lumière, que de minuscules particules existent en plusieurs endroits à la fois, que des particules entrent et sortent de façon aléatoire et que certaines particules se “téléportent” à travers les murs comme des fantômes. Oui, le monde quantique est bizarre. Comme vous l’avez peut-être deviné, nous nous concentrerons ici sur le dernier exemple, un processus appelé “tunnelage quantique”.

Dans son explication la plus élémentaire et la plus compréhensible, le tunnelage quantique est le phénomène mécanique par lequel une fonction d’onde peut se propager à travers une barrière potentielle.

Imaginez que vous lancez une balle sur le mur. Il va heurter le mur et rebondir en arrière. Si vous le laissez descendre une colline, quand il atteindra le bas, il y restera. Mais à l’échelle quantique, les particules rebondissent parfois à travers le mur au lieu de “rebondir”. Bien que cela puisse sembler être une intrigue des Marvel’s Avengers, ce phénomène a été remarqué dès 1928, lorsque deux physiciens ont écrit dans Nature que les particules “semblent parfois se glisser à travers la colline et s’échapper de la vallée”.

Votre barrière ne vaut rien ici

Imaginez que vous et votre petite soeur vous battiez avec des armes Nerf. Ce faisant, vous vous tirez dessus de différents côtés de la pièce. Votre sœur est assise entre un petit “mur” d’oreillers de fortune de quelques mètres de haut et de quelques mètres de large, pendant que vous tirez constamment sur votre rival, le Nemesis MXVII. Comme il s’agit de Quantum World, vous avez des millions de balles dans votre arme. Dans notre cas, 99,999 % de vos balles Nerf rebondiront sur le mur. Cependant, un très faible pourcentage se “téléportera” de l’autre côté du mur et tirera les derniers coups sur votre soeur.

Comment vos boulettes de nerf sont-elles apparues comme par magie de l’autre côté du mur de fortune ? C’est grâce au tunnelage quantique. C’est là que commence notre histoire.

Les particules ont une chance de se glisser à travers la montagne et de s’échapper de la vallée.

Depuis la publication du premier article sur l’idée de l’effet tunnel quantique en 1928, les chercheurs sont désireux d’en savoir plus sur ce phénomène, de comprendre son fonctionnement et d’obtenir une réponse claire à la question séculaire de la vitesse à laquelle se produit l'”effet tunnel”.

La formation de tunnels est un bon rappel de la façon dont les particules étranges peuvent se comporter au niveau quantique. Dans le tunnelage quantique, une particule subatomique peut apparaître de l’autre côté d’une barrière qu’elle ne devrait pas pouvoir pénétrer.

Supposons que vous deviez libérer une particule subatomique, comme un électron ou un proton, dans un espace situé sur un côté d’une colline d’énergie potentielle. La particule n’a pas l’énergie nécessaire pour franchir la colline, vous êtes donc certain qu’elle restera sur place. Néanmoins, la particule a soudainement disparu. Comme vous pouvez le voir dans la figure ci-dessus, une fois que vous arrivez de l’autre côté de la colline, la particule a en quelque sorte franchi notre colline. Les particules qui traversent un tunnel peuvent se faufiler à travers des barrières de ce type, et c’est peut-être plus courant que vous ne le pensez.

En fait, le tunnelage quantique peut être essentiel pour des processus aussi fondamentaux que la photosynthèse. Après avoir découvert le tunnelage quantique, les physiciens ont réalisé qu’il permettait en fait de résoudre de nombreux mystères. Il a expliqué les différentes liaisons chimiques et les désintégrations radioactives, et comment les noyaux d’hydrogène du soleil peuvent surmonter leur répulsion mutuelle et fusionner pour produire de la lumière solaire.

Les semi-conducteurs, les transistors et les diodes ne fonctionneraient pas sans eux. Et, bien sûr, l’informatique quantique inclut le tunnelage. Il s’avère que les particules se glissent dans la montagne et s’échappent assez souvent de la vallée.

Vous devez saisir certaines des idées clés de la physique quantique avant de vous lancer dans le tunneling

L’une des différences les plus importantes entre la physique classique et la physique quantique est que la physique quantique est probabiliste. Revenons à notre exemple de la barrière des particules et des collines. Si nous essayions de pousser une balle sur la colline, nous saurions exactement où se trouve la balle à tout moment. Cependant, comme nous utilisons une particule, nous ne savons pas. Contrairement à une balle, nous ne pouvons pas savoir exactement où se trouve une particule à un moment donné.

Vous pouvez remercier le principe d’incertitude de Heisenberg pour avoir clarifié ce point. Il dit que nous ne pouvons jamais connaître à la fois la position exacte et le moment où se trouve une particule subatomique. Il est intéressant de noter que cela n’a rien à voir avec un manque d’instruments de mesure appropriés. Le principe d’incertitude de Heisenberg semble être une partie fondamentale de la nature de la réalité. Cependant, il y a de bonnes nouvelles.

Nous sommes capables de mesurer la probabilité de la localisation d’une particule à un moment donné, à un degré très élevé. Les physiciens quantiques modélisent ces probabilités à l’aide d’une fonction d’onde. En bref, une fonction d’onde est une description de la probabilité de trouver un objet à un endroit et à un moment précis.

L'effet tunnel
L’effet tunnel

Toujours avec nous ? Une propriété étrange des vagues est qu’elles s’arrêtent rarement lorsqu’elles frappent quelque chose. Pensez au son. Les ondes sonores de votre musique ne s’arrêtent pas lorsqu’elles entrent en contact avec des objets solides. Par conséquent, ils ne s’arrêtent pas même si votre porte est fermée. Vos colocataires peuvent encore vous entendre faire exploser Kpop.

Ou, si ce n’était tout simplement pas le cas, la lumière du soleil frappant votre maison s’arrêterait tout simplement et ne réchaufferait jamais votre maison. La même chose se produit avec les formes d’onde utilisées pour décrire les particules quantiques. La fonction d’onde d’un objet peut s’étendre à une barrière ou même au-delà. Comme cette fonction décrit la probabilité qu’une particule atterrisse dans un espace particulier, il arrive parfois que cette particule atterrisse également de l’autre côté de la barrière. Cela a-t-il un sens ?

Pouvez-vous traverser les murs ?

Peut-être en théorie, mais probablement pas. Bien que cette force puisse être cool (et dangereuse), la probabilité qu’elle se produise est assez proche de zéro. Jack Fraser, étudiant en physique à l’université d’Oxford , a noté que “depuis le début de l’univers [il y a 13,8 milliards d’années], un trillion de personnes pourraient se heurter à des murs chaque seconde, un trillion de fois par seconde – et la probabilité que l’une d’entre elles traverse le mur est encore si faible qu’elle est [pratiquement] nulle”. Pourquoi ? La probabilité qu’un objet traverse le mur est directement corrélée à la masse de l’objet. Une personne moyenne pèse environ 70 kg ; un électron pèse environ 9×10-31 kg.

Mais si vous avez l’impression de manquer le Quantum Party, tout espoir n’est pas perdu. Certaines recherches ont suggéré que le tunneling quantique pourrait avoir lieu dans notre corps parce que les enzymes responsables de l’activation des liaisons carbone-hydrogène pourraient favoriser le tunneling de l’hydrogène. Il est intéressant de noter qu’une de ces enzymes est responsable de la conversion de l’éthanol en acétaldéhyde, le composé qui provoque des maux de tête, des vertiges et des nausées après une nuit de beuverie. Alors peut-être que vous ne manquerez pas la fête des quanta après tout.

À quelle vitesse le tunnelage quantique se produit-il ?

C’est la prochaine question logique. Ces dernières décennies, cependant, ce sujet a fait l’objet de débats animés, tout comme la question de savoir ce qu’il advient de la particule lorsqu’elle “passe” la barrière. Comme beaucoup de choses dans le monde quantique, les réponses à ces questions ne sont pas simples.

Les chercheurs ont tenté de mesurer le temps nécessaire à la construction d’un tunnel auparavant, avec des résultats variables et souvent discutables, certains avançant que l’événement peut être encore plus rapide que la vitesse de la lumière. Mais l’année dernière encore, les scientifiques ont peut-être résolu l’affaire grâce à une expérience de recherche historique de 20 ans.

Dans le (1)article(2) publié, dirigé par les physiciens du (1)article(2) à l’Institut canadien de recherches avancées, les chercheurs décrivent non seulement la façon dont ils ont mesuré le processus, mais aussi le nombre qu’ils ont obtenu. “L’effet tunnel quantique est l’un des phénomènes quantiques les plus déroutants. Et c’est fantastique que nous puissions l’étudier de cette façon maintenant”, déclare le co-auteur de l’étude, Aephraim Steinberg, co-directeur du Programme de science de l’information quantique.

Comment ont-ils fait ? Ils ont utilisé certains des principes les plus fondamentaux de la physique quantique pour rendre cela possible. Dans leur expérience, ils ont utilisé 8 000 atomes de rubidium refroidis à un milliardième de degré au-dessus de zéro Kelvin.

Les atomes devaient être à cette température, sinon ils se seraient déplacés au hasard à grande vitesse au lieu de rester dans un petit amas. Les physiciens canadiens ont utilisé un laser pour créer une barrière et l’ont focalisée de manière à ce que la barrière ait 1,3 micromètre, soit l’épaisseur d’environ 2 500 atomes de rubidium. À l’aide d’un autre laser, l’équipe a poussé les atomes de rubidium vers la barrière, les déplaçant à une vitesse constante d’environ 3,8 mm (0,15 pouce) par seconde. La plupart des atomes de rubidium ont rebondi sur la barrière. Cependant, grâce à notre ancien tunnel de Pal, 3 % des atomes ont traversé la barrière et sont parvenus de l’autre côté.

Le choix du rubidium n’était pas accidentel. Il a été utilisé parce que le spin de l’atome peut être modifié par des lasers. Plus le rubidium mettait de temps à traverser la barrière, plus la rotation changeait. En mesurant l’axe de rotation d’un atome avant et après son entrée dans la barrière, les scientifiques ont pu déterminer combien de temps il a fallu aux atomes pour creuser un tunnel. Combien de temps a duré le processus ? En moyenne, 0,61 millisecondes.

Le résultat s’est avéré quelque peu déroutant, car il est relativement lent dans le monde quantique, surtout si l’on considère que des travaux antérieurs ont suggéré que le creusement de tunnels pourrait être instantané. Quoi qu’il en soit, c’est un autre exemple impressionnant de la façon dont une approche qui pourrait aider à démystifier le domaine quantique. Le plus grand avantage est qu’il a été possible de mesurer cet événement. “Nous travaillons sur une nouvelle mesure où nous rendons la barrière plus épaisse et déterminons ensuite l’importance de la précession à différentes profondeurs. Il sera très intéressant de voir si la vitesse des atomes est constante ou non”, déclare l’équipe.

Le tunnelage quantique n’est peut-être pas aussi mystérieux que certaines affaires plus éloignées, mais il constitue une part importante de la nature de notre monde et de notre univers. Comprendre le tunnelage quantique pourrait nous aider à faire progresser le développement de nouvelles technologies telles que les ordinateurs quantiques. Il sera intéressant de voir quels nouveaux phénomènes quantiques nous pourrons tester.