La physique quantique est une théorie qui décrit l'infiniment petit (particules élémentaires constituant les atomes, comme les électrons et les protons...) avec ses interactions et sa mécanique particulière. Elle est apparue au début du XXème siècle avec les travaux de physiciens comme Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger ou encore Albert Einstein.

La physique quantique nous permet aujourd'hui d'avoir et d'envisager des applications concrètes qui peuvent révolutionner notre mode de vie. Cette nouvelle branche de la physique marque une rupture avec la physique classique, dite newtonienne.

A travers cet article, nous aborderons les principales idées qui ont été à la base du développement de la physique quantique et les recherches menées de nos jours pour essayer de comprendre la structure le plus fine de notre univers, mais aussi le fonctionnement de celui-ci.

Les quantas de Planck :

Max Planck est considéré comme le père fondateur de la physique quantique, il en pose les fondements en 1900 avec sa théorie des quantas (quantum en latin), qui, comme son nom l'indique, est l'origine du terme "quantique". Il s'agit d'une théorie que le physicien propose pour déterminer la quantité d'énergie en rayonnement (visible et infrarouge) émise par un corps chaud. La lumière est donc divisée en petits paquets d'énergies (quantas) et n'est pas un flux constant comme on le pensait avant. La loi de Planck établit que plus la longueur d'onde d'une particule est courte (voir l'expérience des fentes de Young pour la dualité onde-particule) plus son énergie est grande. La constante de Planck (h) désigne le seuil minimal d'énergie que l'on peut mesurer sur une particule.

L'interprétation de Copenhague :

Très célèbre théorie créée en 1913 à Copenhague par les physicien Niels Bohr et Werner Heisenberg, qui résulte de l'assemblage de deux principes fondamentaux proposés respectivement par ces deux scientifiques : le principe de complémentarité et le principe d'indétermination.

  Le principe d'incertitude stipule qu'on ne peut pas connaître à la fois la vitesse et la position d'une particule car les mouvements perpétuels et imprévisibles des électrons rendent toutes mesures impossibles, c'est contre-intuitif par rapport à la physique classique (newtonienne, celle que nous subissons tous les jours). Il est notamment à l'origine de phénomènes problématiques pour l'internet quantique comme l'effet tunnel.

  Le principe de complémentarité de Bohr cherche à expliquer la dualité onde-corpuscule. Les ondes et les particules sont en apparence deux entités très différentes : les propriétés des ondes se recoupent avec le principe d'incertitude dans la mesure où elle n'a pas de position précise contrairement aux particules qui concentrent de l'énergie dans un endroit précis de l'espace et du temps. La mesure de la position d'une particule va entraîner des résultats uniquement compatibles avec des propriétés ondulatoires. 

La fabuleuse expérience des fentes de Young en est une preuve irréfutable : les électrons (particule)

Le chat de Schrödinger : 

C'est une expérience de pensée créé en 1935 par Erwin Schrödinger illustrant les lacunes de la physique quantique.

On place un chat vivant dans une boîte fermée. Cette boîte contient un système capable de tuer le chat avec du poison (atome instable déclenchant le mécanisme), on évalue la probabilité de désintégration à 50%. Tant que la boîte n'est pas ouverte, il est donc impossible de connaître l'état du cobaye. Dans cette situation, l'interprétation de Copenhague stipule qu'il y a superposition d'état quantique c'est à dire que les deux états (vivant et mort) sont "superposés", fusionnés, ne forment qu'un. Or, un chat "mort-vivant" relève plus de la fiction que de la physique sérieuse.

Remarque : on appelle la mesure du véritable état d'un objet (ici l'ouverture de la boîte) la réduction de la fonction d'onde.

La fonction d'onde :

La fonction d'onde représente la théorie fondatrice pour la superposition d'état quantiques ou l'expérience des fentes de Young ainsi que  plein d'autres qui en découlent... Elle représente la probabilité de trouver une particule en un endroit donné. Elle est caractérisée concrètement par Erwin Schrödinger en 1926 avec son équation de la fonction d'onde.

Le phénomène d'intrication :

C'est sans doute le phénomène le plus connu de la physique quantique, il a nourri l'imagination des oeuvres de science-fiction. En effet, il ouvre la porte a une possible téléportation à grande échelle (mais pour cela il faudra d'abord vaincre le problème de la décohérence ! qui empêche la téléportation d'objet à notre échelle). Pour l'instant, nous parvenons à intriquer des photons (particule de lumière epouvant transporter des informations). Le phénomène consiste à confondre deux photons pour qu'il est exactement les même propriétés. Identiques, pour ainsi dire. Ainsi, quelque soit la transformation que l'on apporte à l'un des deux photons, l'autre subit exactement la  même, sans que la distance n'affecte l'opération.

Théorie quantique des champs :

Théorie associant à chaque boson un champ. Chaque champ occupe tout l'espace et est omniprésent . Des interactions se produisent et modifient ce champ en vagues (ondes). On peut comparer ces champs à un lac dans lequel des objets apparaissent (comme un canard plongeant dans l'eau), disparaissent ou sont en mouvement. Chacune de ces actions produisent leur lot de vaguelettes, plus ou moins intenses en fonction de la puissance de l'action. Pour le champ électromagnétique, les électromagnétiques résultent de l'interaction entre photons et électrons par exemple (voir électromagnétique quantique).

électrodynamique quantique :

L'électrodynamique quantique (EDQ), est intrinsèquement liée à la QED, elle décrit le comportement ondulatoire de l'électron. De manière générale, deux particules de même charge électrique (- et - ; + et +) se repoussent à cause de l'interaction électromagnétisme. Les graphiques de Feynman  (du nom du physicien Richard Feynman, prix Nobel en 1965) établissent toutes les probabilités d'interaction de deux électrons. La conclusion que l'on obtient en combinant toutes les probabilités est notamment cette répulsion - ; - , qui pourrait ne pas se produire dans certains cas théoriques. Pour donner un exemple concret : lorsque l'on pose notre main sur un mur, celle est arrêtée par le mur. Cette résistance est causé par la répulsion électromagnétique entre les électrons de notre main et ceux du mur, ce qui rentre dans le cadre de la prévision des graphiques de Feynman. Mais ils admettent aussi leur non-interaction, c'est-à-dire que, théoriquement, on pourrait passer à travers le mur ! Mais à notre  connaissance, cela n'est jamais arrivé (sauf avec le passe-muraille évidemment...).

Ordinateur quantique :

Avec ces stupéfiantes découvertes théoriques, l'idée d'Internet et d'ordinateurs quantiques (ou supercalculateurs ou processeur etc.) s'est développée et s'est imposée comme une technologie innovante et futuriste. Elle utilise par exemple la superposition d'états quantiques pour concentrer un plus grand nombre d'informations (0 ou 1), c'est le qubit. Son équivalent en internet classique est le bit. Elle assure également la sécurité de l'information transmise en utilisant l'intrication.

Chromodynamique quantique (QCD) : La QCD est la théorie décrivant le comportement de l'intéraction forte qui lie les quarks entre-eux.

Tous ces phénomènes ne sont qu'une infime partie de tout ce qui a été découvert, proposé et testé depuis la naissance de la théorie quantique.