Prix ​​Nobel de physique 2025 : la mécanique quantique du micro au macro

Exactement 100 ans après la découverte de la mécanique quantique, le prix Nobel de physique 2025 a honoré trois scientifiques américains qui ont démontré que d’étranges effets quantiques peuvent se produire à grande échelle, ouvrant une nouvelle ère pour la technologie quantique.

Les scientifiques John Clarke, Michel H. Devoret et John M. Martinis ont été annoncés comme lauréats du prix Nobel de physique de cette année par l'Académie royale des sciences de Suède, lors d'une conférence de presse à Stockholm, en Suède, le 7 octobre - Photo : REUTERS

En 1925, les physiciens Heisenberg, Schrödinger et Dirac ont découvert la mécanique quantique, une découverte étrange qui allait changer le monde .

Exactement 100 ans plus tard, le prix Nobel de physique 2025 a été décerné à trois physiciens américains qui ont introduit l'effet tunnel quantique - un étrange effet quantique microscopique - dans le monde macroscopique, ouvrant ainsi la voie à de nombreuses applications révolutionnaires.

C'est formidable de pouvoir célébrer la façon dont la mécanique quantique, vieille de plusieurs siècles, continue d'apporter de nouvelles surprises. C'est aussi incroyablement utile, car la mécanique quantique est le fondement de toute technologie numérique .

Olle Eriksson (président du comité Nobel de physique, s'exprimant)

Découverte révolutionnaire de l'effet tunnel

Trois physiciens américains, John Clarke, Michel H. Devoret et John M. Martinis, ont reçu le prix Nobel de physique 2025 pour « la découverte des effets tunnel quantiques macroscopiques et de la quantification de l'énergie dans les circuits électriques », selon l'annonce du comité Nobel.

Le prix de cette année récompense une série d'expériences menées en 1984 et 1985 sur des circuits supraconducteurs, démontrant que le « tunneling » - le phénomène de particules traversant des barrières qui ne peut se produire qu'en mécanique quantique - peut se produire à des échelles beaucoup plus grandes qu'on ne le croyait auparavant.

Le professeur John Clarke, qui a obtenu son doctorat à l'Université de Cambridge en 1968, est professeur de physique à l'Université de Californie à Berkeley depuis 1969. Il est actuellement professeur émérite à la Graduate School de l'université.

Michel H. Devoret, né à Paris et titulaire d'un doctorat dans cette même ville, est professeur émérite de physique appliquée au Yale Quantum Institute de l'Université Yale.

John M. Martinis est titulaire d'un doctorat de l'Université de Californie à Berkeley. Après avoir enseigné à cette université, il a récemment travaillé au sein du groupe d'IA quantique de Google.

Au milieu des années 1980, M. Devoret a rejoint le groupe de recherche de M. Clarke en tant que chercheur postdoctoral, avec son doctorant, Martinis. Ensemble, ils ont relevé le défi de démontrer l'effet tunnel quantique à l'échelle macroscopique.

Lors de leurs expériences, les trois scientifiques ont construit des circuits supraconducteurs capables de conduire le courant électrique sans résistance. En modifiant et en mesurant les propriétés du circuit, ils ont pu contrôler les phénomènes qui se produisaient. Les particules chargées se déplaçant à travers le supraconducteur formaient un système qui se comportait comme si elles n'étaient qu'une seule particule remplissant tout le circuit.

Ce système de particules est initialement dans un état où le courant circule sans tension, comme bloqué par une barrière infranchissable.

Lors de l'expérience, le système a démontré des propriétés quantiques en s'échappant de cet état par effet tunnel quantique. Les trois scientifiques ont également démontré que le système était quantifié, c'est-à-dire qu'il n'absorbait ou n'émettait que des quantités spécifiques d'énergie.

Illustration de l'effet tunnel quantique : lancez une balle contre un mur et elle rebondit. Mais lancez une particule microscopique et elle traverse le mur. Cet effet s'atténue généralement pour un grand groupe de particules, ce qui explique pourquoi on ne voit jamais personne traverser un mur au quotidien. Photo : JOHAN JARNESTAD/Académie suédoise des sciences

Ouvrir la voie à la technologie quantique

Cette expérience a des conséquences importantes pour la compréhension de la mécanique quantique. Auparavant, les effets macroscopiques de la mécanique quantique impliquaient la combinaison de nombreuses particules microscopiques pour produire des phénomènes tels que des lasers, des supraconducteurs et des superfluides. Cependant, les expériences des trois physiciens lauréats du prix Nobel de cette année ont produit un effet macroscopique direct.

Ce type d'état quantique macroscopique ouvre de nouvelles perspectives expérimentales exploitant les phénomènes régissant le monde microscopique. On peut le considérer comme une sorte d'atome artificiel à grande échelle, utilisé pour simuler et faciliter l'étude d'autres systèmes quantiques.

Une application importante fut l'ordinateur quantique que Martinis implémenta plus tard. Il utilisa précisément la quantification d'énergie que lui et ses deux co-lauréats du prix Nobel avaient démontrée, en utilisant des circuits à états quantifiés sous forme de bits quantiques, ou qubits, l'état d'énergie le plus bas étant 0 et le plus élevé 1.

Les circuits supraconducteurs sont l'une des techniques explorées pour construire des ordinateurs quantiques. Martinis a dirigé le groupe de recherche en informatique quantique de Google de 2014 à 2020.

M. Clarke a déclaré que leurs recherches avaient ouvert la voie à des avancées technologiques, comme la naissance des téléphones portables. Le comité Nobel a également affirmé : « Il n’existe aujourd’hui aucune technologie de pointe qui ne repose sur la mécanique quantique, notamment les téléphones portables, les appareils photo… et les câbles à fibre optique. »

Quand la physique et la chimie se rencontrent dans le « tunnel » quantique

Le prix Nobel de physique 2025 a été décerné à trois scientifiques pour leurs découvertes en mécanique quantique il y a 40 ans. Ce résultat n'est guère surprenant, car l'UNESCO a choisi 2025 comme Année internationale des sciences et technologies quantiques.

Le comité Nobel a déclaré : « La mécanique quantique est la base de toute technologie numérique… Leurs expériences ont jeté les bases de nouvelles avancées technologiques basées sur les principes quantiques ».

Ces trois physiciens ont découvert l'effet tunnel et déterminé les sauts d'énergie dans les circuits électriques. L'effet tunnel est rapidement devenu un concept central pour expliquer de nombreuses réactions chimiques.

On peut simplement imaginer cela comme lors du passage du col de Hai Van : les réactifs doivent souvent « gravir le col » avec une énergie très élevée, mais parfois ils « traversent le tunnel », surmontant la barrière énergétique plus rapidement pour créer une réaction.

L'effet tunnel est enseigné à l'université dans les manuels de cinétique chimique et est modélisé à l'aide de méthodes quantiques pour le calcul des constantes de vitesse de réaction. La physique et la chimie, une fois de plus, se marient à merveille.

Prof. Nguyen Minh Tho - Professeur honoraire à l'Université KU Leuven, Belgique

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DR NGUYEN TRUNG DAN

Source : https://tuoitre.vn/nobel-vat-ly-2025-co-hoc-luong-tu-tu-vi-mo-den-vi-mo-20251007222830181.htm