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La superposition quantique
Introduction à la superposition quantique
1. En partant de l’état quantique
se définissant ainsi :-
-
a, b et c représentant les probabilités de réalisation de respectivement chaque valeur de mesure.
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s’entendant comme justement les différentes
valeurs atteignables après mesure.
2. Outils mathématiques
On entend ou on peut lire parfois dans des articles de vulgarisation que la superposition quantique consiste pour une particule à être dans « tous les états possibles à la fois ». C’est tout à fait vrai bien sûr, mais un peu ambigu : l’état quantique est bien une combinaison linéaire des différents états possibles une fois la mesure effectuée. Ceci est valable pour toutes les grandeurs qui caractérisent la particule : son spin s, sa vitesse, son énergie, etc.
a. Premier exemple avec le spin de l’électron
» et « - »).L’état quantique relatif au spin avant mesure peut s’écrire ainsi :
Interprétation de la superposition quantique
1. Interprétation du « dé quantique »
Cet exemple nous montrait, ou tentait de montrer, que l’état quantique est alors une addition des six états à la fois. Le dé ne « vaut » pas 1, 2 ou 6, mais bien 1, 2, 3, 4, 5 et 6 à la fois. Cet état, troublant pour la logique, se rompt immédiatement lors de la mesure pour se fixer sur une seule des six valeurs.
Ceci est valable pour toute grandeur inhérente au monde quantique : une vitesse de particule, un spin ou encore la position d’une particule. On ne sait jamais exactement où est un électron ; on a quelques idées sur la question grâce aux probabilités. Par contre, une fois la mesure effectuée, toute incertitude est gommée. Tant que la mesure n’a pas été réalisée, l’électron se trouve, au sens quantique, à plusieurs positions à la fois.
2. Le paradoxe du chat de Schrödinger
Cette expérience de pensée inventée par le physicien autrichien Erwin Schrödinger (1887 - 1961) propose le scénario assez sadique suivant :
-
Dans une boîte complètement close se trouvent un atome radioactif, une fiole de poison mortel et… un chat.
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Si l’atome se désintègre, alors la fiole de poison s’ouvre, le poison se diffuse et tue immédiatement le chat.
La question est alors de savoir quand l’atome va se désintégrer. Justement, on n’a aucune idée de cet événement. On ne peut...
Vérification de la superposition quantique
Plus généralement, superposition quantique et spécificités de la mesure quantique telles que nous l’avons appris ici sont rassemblées dans une théorie un peu plus générale appelée décohérence quantique.
À partir des années 1990, en particulier en France, la décohérence quantique va être expérimentée.
En effet, en 1996, l’équipe du physicien français Serge Haroche (né en 1944) parvient à observer expérimentalement des états superposés d’atomes. Elle parvient également à voir l’un des états disparaître lors de la mesure. Ces expériences valident à la fois, le paradoxe du chat de Schrödinger ainsi que les caractéristiques de la mesure quantique.
Il est remarquable que ces lois de la mécanique quantique aient ainsi été établies près de 70 ans avant qu’elles ne commencent réellement à être observées, expérimentées et vérifiées.