Tout commence à la fin du XIXe siècle, dans les années 1890. Certaines observations, en particulier concernant le rayonnement électromagnétique, contredisent systématiquement les lois de la physique. Comment les intégrer? La première tentative d’explication radicalement différente est réalisée par un physicien déjà célèbre, Max Planck, en 1900. Il propose de considérer l’énergie non comme un phénomène continu mais comme des «paquets» distincts les uns des autres, les quanta. C’est initialement une astuce de calcul pour résoudre certaines équations. Mais il s’aperçoit qu’elle correspond comme par enchantement aux observations qui contredisaient les lois de la physique de son époque. Cinq ans plus tard, Albert Einstein utilise l’idée des quanta pour expliquer l’effet photoélectrique (qu’on observe dans notre vie quotidienne par exemple dans les cellules commandant l’ouverture automatique des portes). L’idée d’une physique basée sur les quanta, une physique quantique, fait son chemin.

La première révolution quantique

Entre 1925 et 1927, plusieurs physiciens réussissent en quelques années à assembler les pièces de l’immense puzzle de la physique quantique. Tout d’abord, Louis de Broglie et Erwin Schrödinger raisonnent que si la lumière, qui est une onde, peut exister sous forme de paquets d’énergie, alors à l’inverse peut-être que des particules comme les électrons, qui sont de petits paquets d’énergie, peuvent se comporter comme une onde. Ils élaborent ainsi les fonctions d’onde. Une particule peut donc exister dans plusieurs états superposés, onde ou particule. C’est le principe de superposition. Ensuite, Werner Heisenberg introduit le principe d’incertitude, selon lequel en physique quantique on ne peut pas mesurer de façon exacte deux valeurs d’une même particule (par exemple sa position et sa vitesse). Si l’on mesure correctement l’une des deux valeurs, l’autre sera forcément floue. Wolfgang Pauli définit quant à lui le principe d’exclusion, selon lequel deux électrons ne peuvent jamais se trouver au même endroit dans le même état. Niels Bohr, dont Heisenberg et Pauli ont été les disciples, propose une théorie unifiée de la physique quantique.

Mais Albert Einstein reste très sceptique. Il considère que l’aléatoire ne peut pas être un principe fondamental de la physique. Si l’on ne peut pas mesurer précisément deux valeurs d’une particule, cela ne signifie pas qu’elles ne sont pas mesurables, mais simplement qu’on ne sait pas encore le faire. Il estime donc que les physiciens quantiques utilisent des probabilités car leur théorie, incomplète, ne leur permet pas de décrire parfaitement les phénomènes observés. De longues discussions l’opposent à Niels Bohr, au cours desquelles Einstein s’exclamera «Dieu ne joue pas aux dés!» Le débat fait rage. En 1935, Einstein, Podolsky et Rosen soulèvent le paradoxe suivant. Selon les principes de la physique quantique, l’état des particules est fondamentalement aléatoire. Pourtant, pour peu qu’elles soient étroitement liées (c’est l’intrication), il est possible pour des particules situées dans des endroits très éloignés de l’espace d’avoir toujours exactement le même état au même instant. Comme si elles communiquaient littéralement instantanément. Cela impliquerait qu’elles se transmettent l’information plus vite que la vitesse de la lumière. Dans l’univers d’Albert Einstein comme dans notre réalité quotidienne, c’est absurde. La physique quantique doit donc nécessairement être incomplète.

Le débat reste en l’état jusqu’en 1964, date à laquelle John Bell  démontre, à Genève, que les idées d’Einstein sur l’aspect inachevé de la théorie quantique entrent en contradiction avec les prédictions mêmes de cette théorie. Il faut forcément que l’une ou l’autre soit fausse. John Bell propose donc une méthode expérimentale pour répondre à ce paradoxe. Cette expérience ne pourra être réalisée de manière concluante qu’en 1982, par Alain Aspect et ses collaborateurs à Paris. Elle démontre irréfutablement la justesse de la théorie quantique.

La deuxième révolution quantique

Les physiciens restent en grande majorité indifférents aux aspects les plus contraires à l’intuition de cette nouvelle théorie, jusqu’aux années 1990. On commence alors à réaliser les applications potentielles de la physique quantique dans notre vie quotidienne. ÀGenève, l’équipe de Nicolas Gisin réalise la téléportation des photons dans les fibres optiques du réseau Swisscom sur des dizaines de kilomètres. Puis Peter Shor, aux Etats-Unis, montre qu’en intriquant une centaine de particules, on pourrait casser tous les codes de sécurité existant aujourd’hui: ceux des banques, des entreprises, des armées. La cryptographie quantique serait alors le seul mode de protection véritablement inviolable des données. Et c’est ainsi que la physique quantique entre dans notre vie quotidienne...

Agathe Charvet, collaboratrice scientifique du Triangle Azur et Nicolas Gisin, physicien, professeur à l’Université de Genève.