Selon le point de vue de Bohr, l’existence d’un monde classique macroscopique est une condition préalable à la description du monde quantique microscopique. Cependant, ce point de vue suppose l’existence d’une frontière classique/ quantique, une hypothèse qui aujourd’hui n’a plus rien d’évident. Le phénomène de décohérence a permis de renouveler notre compréhension de la transition entre mondes quantique et classique. Après avoir expliqué sur un exemple simple ce qu’est la décohérence, on décrit quelques expériences où elle se manifeste à des échelles mésoscopiques. Enfin, on examine le nouvel éclairage que donne la décohérence sur le problème de la mesure quantique.
Selon le point de vue de Bohr, l’existence d’un monde classique macroscopique est une condition préalable à la description du monde quantique microscopique. Cependant, ce point de vue suppose l’existence d’une frontière classique/ quantique, une hypothèse qui aujourd’hui n’a plus rien d’évident. Le phénomène de décohérence a permis de renouveler notre compréhension de la transition entre mondes quantique et classique. Après avoir expliqué sur un exemple simple ce qu’est la décohérence, on décrit quelques expériences où elle se manifeste à des échelles mésoscopiques. Enfin, on examine le nouvel éclairage que donne la décohérence sur le problème de la mesure quantique.
La pensée physique - et, jusqu'à un certain point, la pensée mathématique, du moins géométrique - s'est toujours appuyée sur la notion d'espace, comme par exemple le concept de dimension spatiale qui a donné l'idée de grandeur physique mathématisée. Jusqu'à la théorie de la relativité générale, celle-ci comprise, les conceptions des systèmes physiques et des phénomènes dont ils sont le siège ou l'origine ont été tributaires d'une pensée de l'espace, et ces phénomènes et ces systèmes sont, en général, pensés dans l'espace, même s'ils ont contribué à modifier la pensée de l'espace et s'ils ont obligé à reformuler notre «intuition spatiale». La physique quantique a remis en question cette certitude tranquille en mettant la pensée de l'espace et dans l'espace devant le dilemme suivant : ou bien garder le concept d'espace physique dans le sens précédent qui nous semble naturel et renoncer à l'idée que les «systèmes quantiques» pourraient être représentés directement dans cet espace comme des systèmes dotés de propriétés qui leur soient propres ; ou bien admettre que cela a un sens de parler de systèmes quantiques ayant des propriétés et enlever à l'espace son rôle premier dans la représentation de ces systèmes. En prenant ce second point de vue, on est amené à penser la physique autrement que «dans l'espace» au sens habituel ; et cependant, on a toujours, à un moment ou à un autre, à envisager les systèmes physiques quantiques en référence à cet espace, qui est celui des corps macroscopiques et du cosmos dans son état actuel. Se demander comment une telle pensée est possible amène donc en même temps à s'interroger sur le rapport entre le monde quantique et l'espace physique de notre expérience. Cette interrogation passe par un inventaire des modifications du concept d'espace requises par la description physique des systèmes quantiques. On concluera en évoquant l'idée d'une émergence du concept d'espace à partir des phénomènes quantiques, tant du point de vue épistémologique (émergence d'un certain niveau de réalité à partir de niveaux sous-jacents) que du point de vue cosmogénétique (formation et expansion de l'espace physique des objets macroscopiques).
Cette thèse se consacre à l'étude de certaines passerelles existantes entre les probabilités dîtes classiques et la théorie des systèmes quantiques ouverts. Le but de la première partie de ce manuscrit est d'étudier l'émergence de bruits classiques dans l'équation de Langevin quantique. Cette équation sert à modéliser l'action d'un bain quantique sur un petit système dans l'approximation markovienne. L'analogue en temps discret de cette équation est décrit par le schéma des interactions quantiques répétées étudier par Stéphane Attal et Yan Pautrat. Dans des travaux antérieurs, Attal et ses collaborateurs montrent que les bruits classiques naturels apparaissant dans ce cadre sont les variables aléatoires obtuses, dont ils étudient la structure. Mais sont-ils les seuls bruits classiques pouvant émerger, et quand est-il dans le cas général ? De même, en temps continu, il était plus ou moins admis que les seuls bruits classiques apparaissant dans l'équation de Langevin quantique sont les processus de Poisson et le mouvement brownien. Ma contribution dans ce manuscrit consiste à définir une algèbre de von Neumann pertinente sur l'environnement, dite algèbre du bruit, qui encode la structure du bruit. Elle est commutative si et seulement si le bruit est classique ; dans ce cas on confirme les hypothèses précédentes sur sa nature. Dans le cas général, elle permet de montrer une décomposition de l'environnement entre une partie classique maximale et une partie purement quantique. Dans la deuxième partie, nous nous consacrons à l'étude de processus stochastiques classiques apparaissant au sein du système. La dynamique du système est quantique, mais il existe une observable dont l'évolution est classique. Cela se fait naturellement lorsque le semi-groupe de Markov quantique laisse invariante une sous-algèbre de von Neumann commutative et maximale. Nous développons une méthode pour générer de tels semi-groupes, en nous appuyons sur une définition de Stéphane Attal de certaines dilatations d'opérateurs de Markov classiques. Nous montrons ainsi que les processus de Lévy sur Rn admettent des extensions quantiques. Nous étudions ensuite une classe de processus classiques liés aux marches quantiques ouvertes. De tels processus apparaissent lorsque cette fois l'algèbre invariante est le produit tensoriel de deux algèbres, l'une non-commutative et l'autre commutative. Par conséquent, bien que comportant l'aspect trajectoriel propre au processus classiques, de telles marches aléatoires sont hautement quantiques. Nous présentons dans ce cadre une approche variationnelle du problème de Dirichlet. Finalement, la dernière partie est dédiée à l'étude d'un processus physique appelé décohérence induite par l'environnement. Cette notion est fondamentale, puisqu'elle apporte une explication dynamique à l'absence, dans notre vie de tous les jours, de phénomènes quantiques. Nous montrons qu'une telle décohérence a toujours lieu pour des systèmes ouverts décrits par des algèbres de von Neumann finies. Nous initions ensuite une étude innovante sur la vitesse de décohérence, basée sur des inégalités fonctionnelles non-commutatives, qui permet de mettre en avant le rôle de l'intrication quantique dans la décohérence
La mécanique quantique, telle qu'elle est habituellement formulée, se limite à prédire les « résultats de mesure » et ne dit rien sur le monde en dehors des laboratoires.La théorie de de Broglie-Bohm, par contre, donne une dynamique de la matière en mouvement, où les particules sont guidées par une onde, qui est solution de l'équation de Schrödinger.Cette théorie permet de retrouver les prédictions habituelles de la mécanique quantique et explique ce qui se passe lors de « mesures », qui sont en fait des interactions entre un système macroscopique et le système quantique « mesuré », interactions qui sont entièrement décrites par la théorie, sans faire de la « mesure » un deus ex machina, comme c'est le cas dans la présentation usuelle de la mécanique quantique.
Depuis son apparition, aucune expérience ou observation n'a jamais contredit la mécanique quantique. Cependant même si notre monde est construit à partir de briques élémentaires quantiques, il se comporte globalement de manière classique. Ceci implique l'existence d'une transition quantique-classique. Cette dernière constitue l'objet de cette thèse. Cette transition a pour origine le processus de décohérence. Cette thèse traite l'interconnexion entre la notion de décohérence et trois aspects du chaos quantique. A savoir la notion de réversibilité quantique, l'intrication et finalement le transport quantique. Nous nous sommes d'abord concentré sur les fluctuations mésoscopiques de l'écho de Loschmidt. Puis nous avons généralisé le concept afin d'y inclure un environnement. Nous avons ensuite abordé la notion d'intrication et son lien avec le principe de correspondance. Enfin nous avons traité le transport quantique et montré le caractère non universel du déphasage pour un régime semiclassique fort.
La physique quantique est souvent associée au monde microscopique, parfois de manière exclusive. Par ailleurs, on insiste fréquemment sur les paradoxes que soulève la théorie quantique, dans certains cas, au détriment des problèmes qu’elle résoud. Cet ouvrage traite de la physique quantique à toutes les échelles du monde qui nous entoure, et à propos d’objets qui peuvent être très familiers, comme un simple morceau de métal, mais également d’étoiles, de métaux supraconducteurs, d’agrégats métalliques nanométriques, d’hélium liquide ou encore de noyaux atomiques. Tous ces objets, microscopiques et macroscopiques, très différents par leurs constituants et leurs tailles, constituent ce que l’on appelle les liquides quantiques.Le dénominateur commun « liquide quantique » offre donc une grille de lecture et de présentation transversale, particulièrement pertinente, qui permet d’appréhender un grand nombre de systèmes physiques, du plus microscopique au plus « astronomique ». C’est ainsi un point de vue complémentaire de nombreux ouvrages de vulgarisation qui est ici adopté.
Cette thèse se consacre à l'étude de certaines passerelles existantes entre les probabilités dîtes classiques et la théorie des systèmes quantiques ouverts. Le but de la première partie de ce manuscrit est d'étudier l'émergence de bruits classiques dans l'équation de Langevin quantique. Cette équation sert à modéliser l'action d'un bain quantique sur un petit système dans l'approximation markovienne. L'analogue en temps discret de cette équation est décrit par le schéma des interactions quantiques répétées étudier par Stéphane Attal et Yan Pautrat. Dans des travaux antérieurs, Attal et ses collaborateurs montrent que les bruits classiques naturels apparaissant dans ce cadre sont les variables aléatoires obtuses, dont ils étudient la structure. Mais sont-ils les seuls bruits classiques pouvant émerger, et quand est-il dans le cas général ? De même, en temps continu, il était plus ou moins admis que les seuls bruits classiques apparaissant dans l'équation de Langevin quantique sont les processus de Poisson et le mouvement brownien. Ma contribution dans ce manuscrit consiste à définir une algèbre de von Neumann pertinente sur l'environnement, dite algèbre du bruit, qui encode la structure du bruit. Elle est commutative si et seulement si le bruit est classique ; dans ce cas on confirme les hypothèses précédentes sur sa nature. Dans le cas général, elle permet de montrer une décomposition de l'environnement entre une partie classique maximale et une partie purement quantique. Dans la deuxième partie, nous nous consacrons à l'étude de processus stochastiques classiques apparaissant au sein du système. La dynamique du système est quantique, mais il existe une observable dont l'évolution est classique. Cela se fait naturellement lorsque le semi-groupe de Markov quantique laisse invariante une sous-algèbre de von Neumann commutative et maximale. Nous développons une méthode pour générer de tels semi-groupes, en nous appuyons sur une définition de Stéphane Attal de certaines dilatations d'opérateurs de Markov classiques. Nous montrons ainsi que les processus de Lévy sur Rn admettent des extensions quantiques. Nous étudions ensuite une classe de processus classiques liés aux marches quantiques ouvertes. De tels processus apparaissent lorsque cette fois l'algèbre invariante est le produit tensoriel de deux algèbres, l'une non-commutative et l'autre commutative. Par conséquent, bien que comportant l'aspect trajectoriel propre au processus classiques, de telles marches aléatoires sont hautement quantiques. Nous présentons dans ce cadre une approche variationnelle du problème de Dirichlet. Finalement, la dernière partie est dédiée à l'étude d'un processus physique appelé décohérence induite par l'environnement. Cette notion est fondamentale, puisqu'elle apporte une explication dynamique à l'absence, dans notre vie de tous les jours, de phénomènes quantiques. Nous montrons qu'une telle décohérence a toujours lieu pour des systèmes ouverts décrits par des algèbres de von Neumann finies. Nous initions ensuite une étude innovante sur la vitesse de décohérence, basée sur des inégalités fonctionnelles non-commutatives, qui permet de mettre en avant le rôle de l'intrication quantique dans la décohérence