Le monde que les physiciens quantiques étudient avec un œil exercé est le même monde que nous, non-scientifiques, naviguons chaque jour. La seule différence est qu'il a été agrandi à des échelles incompréhensiblement petites et grandes.

Pourtant, la physique quantique reste en grande partie un sujet trouble, même pour les lecteurs scientifiquement astucieux. News@Northeastern a parlé à Gregory Fiete, professeur de physique à Northeastern, de certaines des vastes applications de la recherche quantique, du développement de sources d'énergie renouvelables et de la construction d'ordinateurs plus puissants, à l'avancement de la quête de l'humanité pour découvrir la vie au-delà du système solaire. Les commentaires de Fiete ont été modifiés par souci de concision et de clarté.

Pour commencer, donnons à notre public un aperçu de la nature de votre travail, en plongeant dans le monde de l'infiniment petit. Quelles sont certaines idées fausses sur le travail dans lequel les physiciens quantiques tels que vous sont engagés - et pourquoi est-ce important ?

Vous avez mentionné le quantique et le monde du petit. C'est ce à quoi la plupart des gens pensent quand ils pensent à la mécanique quantique et à la façon dont certaines des premières fondations de la théorie quantique se sont développées, qui considéraient l'atome d'hydrogène et la façon dont il a des niveaux d'énergie discrets, que vous pouvez observer expérimentalement en regardant les spectres, ou comment il absorbe et émet de la lumière, par exemple.

[L'atome d'hydrogène] absorbe et émet à des fréquences particulières, et nous comprenons maintenant que c'est à cause de la nature quantique de l'atome - comment il n'y a que des orbites spécifiques autorisées d'un électron autour du noyau. Nous avons donc tendance à penser à la mécanique quantique en termes de cet exemple précoce très important d'un atome d'hydrogène, et donc nous sommes biaisés en pensant que le quantique est à peu près le petit. Mais en fait, il ne s'agit pas du tout du petit.

Prenez le soleil, par exemple. Le soleil est très grand, c'est le plus gros objet de notre système solaire; nos planètes tournent autour de lui en orbite à cause de son attraction gravitationnelle.

La façon dont le soleil fonctionne est qu'il brûle de l'hydrogène. Son attraction gravitationnelle est si grande qu'elle combine l'hydrogène en hélium, puis l'hélium en d'autres éléments. Il fusionne des atomes ensemble et ce processus de fusion est un phénomène quantique, et c'est derrière l'un des grands défis énergétiques entrepris ici sur Terre, connu sous le nom de fusion soutenue. Il s'agit simplement de prendre de l'hydrogène et de le combiner en hélium - si nous pouvons le faire sur Terre dans un confinement magnétique, nous aurons alors une source d'énergie propre et renouvelable.

Il y a essentiellement des quantités illimitées d'hydrogène qui peuvent être combinées, et l'hélium n'est pas radioactif. On pourrait donc produire beaucoup d'énergie à partir de choses qui sont plus ou moins infiniment abondantes sans produire de déchets sous forme de matière radioactive. C'est un rêve auquel travaillent les physiciens. Ainsi, certaines des plus grandes choses de l'univers sont certainement de la mécanique quantique, y compris les trous noirs supermassifs qui peuvent perdre de l'énergie à cause d'un phénomène quantique connu sous le nom de rayonnement de Hawking.

Le deuxième point est que l'on pense souvent que le quantique traite de très basses températures. Encore une fois, pour prendre notre soleil comme exemple, il fait très chaud, mais c'est de la mécanique quantique. La basse température ne sert pas d'exigence pour le quantum. Cet exemple d'étoile et le caractère quantique du processus de fusion et les températures élevées qui y sont associées - je veux juste élargir la vision de ce qu'est la mécanique quantique et à quel point elle est omniprésente.

Lorsque nous écrivons sur le travail que vous et vos collègues faites, il y a toujours des applications concrètes. Pouvez-vous nous parler de certaines des façons dont les physiciens quantiques stimulent les avancées technologiques au-delà de leur domaine ?

Je vais citer quelques-unes de mes technologies préférées. L'une des choses qui m'excite vraiment à propos de la physique quantique est son utilisation pour ce que je considère comme la « criminalistique », ou la criminalistique quantique, si vous voulez.

Parce que des choses comme les atomes ont des niveaux d'énergie discrets qui leur sont associés, il s'avère que cela peut être utilisé pour identifier les atomes. Si vous comparez les niveaux d'énergie autorisés pour l'hydrogène et les niveaux d'énergie autorisés pour l'hélium ou tout autre élément, ils sont différents. Si vous aviez un gaz de quoi que ce soit, vous pourriez alors déterminer quels atomes se trouvent dans le gaz en regardant comment il absorbe et émet de la lumière. C'est d'une grande valeur pratique si vous vous intéressez à quelque chose de lointain, comme une planète qui tourne autour d'une étoile qui n'est pas la nôtre.

Il y a un champ fantastique d'exoplanètes que nous découvrons à l'aide de puissants télescopes, détectant ces planètes se déplaçant entre les étoiles et notre Terre. Nos télescopes - certains d'entre eux sont dans l'espace attachés à des satellites avec une résolution et une sensibilité en fréquence incroyables - sont si puissants que nous pouvons observer la fine couche de l'atmosphère autour de ces planètes et la façon dont la lumière de l'étoile la traverse. Ensuite, nous utilisons la technique de la spectroscopie et voyons comment la lumière de l'étoile derrière est absorbée par l'atmosphère de cette planète, qui pourrait être à des milliers d'années-lumière. Nous pouvons donc détecter quels atomes se trouvent dans l'atmosphère.

C'est assez intéressant. Mais ça va plus loin. Nous pouvons également détecter quelles molécules s'y trouvent. Par exemple, y a-t-il deux atomes d'hydrogène attachés à un atome d'oxygène ? Autrement dit, y a-t-il de l'eau dans l'atmosphère ? Les molécules ont leur propre signature spectroscopique. Nous pouvons donc détecter s'il y a de l'eau dans l'atmosphère de certaines de ces planètes, et c'est vraiment excitant.

Pourtant, nous pouvons aller plus loin. Lorsqu'il y a des températures impliquées, alors ces raies spectrales, comme on les appelle, ces fréquences spécifiques s'élargissent. Il y a une sorte de gamme de fréquences où vous voyez l'absorption et l'émission. Et la quantité élargie vous renseigne sur la température d'une molécule, en d'autres termes, la température de l'atmosphère de ces planètes.

Il est assez étonnant que nous puissions déterminer ce qui se trouve dans l'atmosphère de ces planètes, des planètes qu'il serait impossible pour les humains de visiter. Cela, et nous pouvons rechercher des signatures de vie, comme, y a-t-il des molécules que nous associons à la vie flottant autour de ces planètes, du moins si c'est une vie semblable à la Terre ; alors nous pourrons peut-être déterminer avec une certaine probabilité qu'une planète lointaine qu'aucun humain ne pourrait jamais visiter abrite la vie. Ou peut-être pourrions-nous découvrir d'autres formes de vie candidates. C'est un exemple assez inspirant, et il s'appuie finalement sur la physique quantique et la technique de la spectroscopie.

Un autre exemple qui, je pense, est également d'un grand intérêt est que la physique quantique produit des sources d'énergie qui sont hors de portée de l'énergie solaire. Ainsi, lorsque vous envoyez une sonde spatiale lointaine pour observer les planètes extérieures de notre système solaire, disons Pluton (techniquement, elle n'est plus considérée comme une planète). Si vous voulez regarder Pluton, vous envoyez une sonde dans l'espace lointain - il faut des années pour y arriver. Vous vous demandez peut-être quel type de source d'alimentation pouvez-vous avoir pour les ordinateurs de cette sonde afin de pouvoir renvoyer les belles images que nous voyons ? Eh bien, vous pouvez y mettre une batterie. Cela va prendre des années pour y arriver, l'espace est très irradié et les batteries peuvent être endommagées; ils peuvent ne pas fonctionner correctement lorsqu'ils sont lancés à travers toutes les variations de chaleur sortant de l'atmosphère, et le froid de l'espace, etc. Ce n'est pas très pratique. Il n'y a pas assez de lumière du soleil que vous pouvez collecter avec des panneaux solaires pour faire fonctionner les systèmes informatiques et renvoyer des images.

Alors, comment alimentent-ils les ordinateurs de ces sondes spatiales lointaines ? Ce qu'ils utilisent, c'est le rayonnement. Ils utilisent un matériau radioactif, et la radioactivité est encore un autre processus quantique, où les éléments lourds se désintègrent en éléments plus légers; quand ils le font, ils éjectent des parties de leur noyau. Mais ces parties éjectées du noyau transportent de l'énergie qui peut être captée.

Il y a des matériaux, dont certains sont très proches des choses sur lesquelles je travaille, qui s'appellent les matériaux thermoélectriques. Ils prennent des régions à haute température et les relient à des régions à basse température, convertissant cette différence de température élevée-basse en une tension, qui agit alors comme une batterie. Une fois que vous avez une tension dans un système électrique, vous pouvez maintenant déplacer les courants et faire fonctionner un ordinateur ou des circuits électriques plus ou moins de la manière normale.

Tout cela est très intéressant. Il semble que la physique quantique soit vraiment le travail fondamental qui entre dans la transformation de notre infrastructure énergétique, entre autres technologies. Est-ce la bonne façon d'y penser ?

Oui c'est vrai. C'est un bon point de penser au changement climatique et aux énergies renouvelables, ainsi qu'aux technologies qui ne polluent pas notre environnement.

Si nous pensons un instant à l'énergie, comme lorsque nous avons discuté de l'exemple de la fusion, qui est une technologie verte, en supposant que nous puissions la faire fonctionner. Si nous nous éloignons de la fusion, il existe actuellement d'autres technologies vertes en place. Prenez les éoliennes. Qu'est-ce que les éoliennes ont à voir avec la physique quantique ? La façon dont les éoliennes fonctionnent est qu'elles ont un aimant attaché aux hélices lorsque le vent les fait tourner, et faire tourner un aimant génère un courant électrique. C'est ainsi que vous produisez de l'électricité :vous tordez un aimant à l'intérieur d'une bobine de fils.

Mais la question est :quel aimant devriez-vous utiliser ? C'est donc là qu'intervient la recherche fondamentale — en fait la recherche à laquelle je participe dans une certaine mesure à Northeastern — :réfléchir à des systèmes magnétiques qui auraient des propriétés souhaitables pour des applications comme les éoliennes.

Vous avez besoin d'un aimant très robuste qui doit résister à des températures élevées, c'est-à-dire bien au-dessus de la température ambiante, car il peut devenir chaud là-haut avec le soleil qui brille dessus. Il doit également avoir des propriétés suffisamment robustes pour résister à toutes les contraintes et contraintes lorsqu'il est tordu dans ce système de turbine. Ce sont des aimants dits durs. Alors, comment développer de meilleurs aimants ? C'est une question quantique.

Pour finir, je me demande quels sont vos grands espoirs pour votre recherche et pour le terrain. Qu'aimeriez-vous voir se produire au cours de votre vie, et y a-t-il des progrès que nous sommes sur le point de réaliser ?

C'est une question difficile que tout le monde se pose dans le domaine :quelles sont les avancées dont nous sommes vraiment à l'aube ? Un exemple bien cité est l'informatique quantique. Avoir un ordinateur quantique ne résoudra pas tous les problèmes informatiques dont tout le monde peut rêver. Il s'avère que les ordinateurs quantiques sont particulièrement aptes à certaines classes de problèmes, où ils peuvent fournir ce qu'on appelle un "avantage quantique". Il existe certains problèmes spécifiques pour lesquels les ordinateurs quantiques sont plus utiles; mais d'autres problèmes pourraient être mieux résolus par des supercalculateurs conventionnels.

Donc, l'une des questions sur le terrain essaie de fournir une résolution un peu plus précise sur les problèmes spécifiques que les ordinateurs quantiques vont nous aider à résoudre. C'est un domaine en évolution, comme quel est le vrai problème de niche pour un ordinateur quantique. Je pense que nous tous qui travaillons sur le terrain pensons qu'il y aura des applications spécifiques, où les ordinateurs quantiques surpasseront vraiment tout le reste - et tout le monde veut être impliqué dans cela ; tout le monde, c'est-à-dire chaque nation développée. Tout le monde veut faire partie de cette prochaine révolution quantique, qui ne consiste pas seulement à développer la mécanique quantique en tant que nouvelle science, mais à transformer la mécanique quantique en applications très larges. Et l'informatique n'est qu'un domaine à l'avant-garde. + Explorer plus loin

L'ordinateur quantique fonctionne avec plus que zéro et un