La théorie de la décohérence étudie les interactions entre un système quantique et son environnement dont la conséquence est la suppression des phénomènes dits " d'interférences ", phénomènes physiques mis en évidence pour le première fois dans l'expérience des fentes de Young en 1801. Cet article traite ainsi de la pertinence de la théorie de la décohérence dans la résolution de problèmes importants de la mécanique quantique, plus particulièrement ceux de la mesure et de l'émergence de la classicalité.
La théorie de la décohérence étudie les interactions entre un système quantique et son environnement dont la conséquence est la suppression des phénomènes dits " d'interférences ", phénomènes physiques mis en évidence pour le première fois dans l'expérience des fentes de Young en 1801. Cet article traite ainsi de la pertinence de la théorie de la décohérence dans la résolution de problèmes importants de la mécanique quantique, plus particulièrement ceux de la mesure et de l'émergence de la classicalité.
L'informatique quantique, brièvement introduite au chapitre 1, exploite les corrélations quantiques et en particulier l'intrication. Ces corrélations sont difficiles à maintenir car un système quantique n'est habituellement pas fermé, mais en interaction avec son environnement. Le traitement formel d'un système quantique ouvert requiert des outils spécifiques, introduits au chapitre 2. En utilisant ces notions, nous montrerons au chapitre 3 que l'interaction entre le système et son environnement aura pour effet de privilégier certains états, qualifiés de quasi-classiques, suggérant ainsi l'émergence d'un monde classique à partir d'un monde quantique. De plus, l'intrication qui se crée entre le système et son environnement détruira la cohérence d'une superposition d'états quasi-classiques. Il s'agit du phénomène de décohérence dont les mécanismes seront mis en évidence dans notre étude originale d'un gyroscope quantique au chapitre 4. Nous montrerons qu'une particule de grand spin servant à mesurer le moment angulaire d'électrons perd sa cohérence en un temps très court par rapport au temps caractéristique de relaxation. Afin de protéger la cohérence d'un système, essentielle pour l'informatique quantique, plusieurs techniques de protection ont été développées. Nous les rappelerons brièvement en début de chapitre 5, avant d'introduire une approche originale qui consiste à préparer l'environnement. Notre étude nous permet de caractériser l'existence d'états initiaux de l'environnement permettant une évolution sans décohérence du système dans une gamme de modèles où le système interagit avec un environnement présentant une dynamique propre.
Préface de la première éditionLa naissance de la physique quantique date d'un siècle et cette description des phénomènes physiques, qui a transformé notre vision du monde, n'est toujours pas remise en cause, ce qui est exceptionnel pour une théorie scientifique.Ses prédictions ont toujours été vérifiées par l'expérience avec une précision impressionnante.Les concepts fondamentaux, comme les amplitudes de probabilité, les superpositions linéaires d'états, qui semblent si étranges pour notre intuition quand on les rencontre pour la première fois, restent toujours essentiels.Une évolution importante s'est toutefois manifestée au cours des dernières décennies.Les progrès spectaculaires des techniques d'observation, des méthodes de manipulation des atomes, permettent maintenant de réaliser des expériences si délicates qu'elle n'étaient considérées que comme des "expériences de pensée" par les pères fondateurs de la mécanique quantique.L'existence des corrélations quantiques "non séparables", qui est à la base du "paradoxe" de Einstein-Podolsky-Rosen et qui violent les fameuses inégalités de Bell, a pu être confirmée expérimentalement avec une grande précision.Les états "intriqués" de deux systèmes, qui manifestent de telles corrélations quantiques, sont mieux compris, et même utilisés pour des applications concrètes, comme la cryptographie quantique.L'intrication d'un appareil de mesure avec son environnement se révèle une piste intéressante pour une meilleure compréhension du processus de mesure.Parallèlement à ces progrès conceptuels, on assiste également à une invasion de notre monde quotidien par des dispositifs dont le principe de fonctionnement repose sur des phénomènes quantiques.Les sources laser qui sont utilisées pour la lecture des disques compacts, l'ophtalmologie ou les télécommunications optiques, sont basées sur l'amplification de la lumière par des systèmes atomiques dont les populations sont inversées.La résonance magnétique des noyaux des atomes est couramment utilisée dans les hôpitaux pour prendre des images de plus en plus précises des organes du corps humain.Des millions de transistors sont inclus dans les puces qui permettent à nos ordinateurs d'effectuer des opérations à des vitesses prodigieuses.
Voici est un ouvrage passionnant, précis et accessible à un large public, sur l’une des réalisations intellectuelles les plus remarquables du XXe siècle dont la découverte fut une véritable révolution dans notre compréhension des processus physiques. En 6 chapitres, il aborde les problèmes d'interprétation encore irrésolus 75 ans après les premières découvertes ainsi que les thèmes les plus importants soulevés par la théorie quantique tels que l'incertitude, la physique probabiliste, la complémentarité, le caractère problématique de la mesure et la décohérence. Le texte principal n'utilise pas d'équations mais une annexe à la fin du livre permet d’aller plus loin pour les lecteurs qui le souhaitent.
La mesure en physique quantique continue à être un sujet controversé chez les physiciens et les philosophes des sciences. La théorie de la décohérence a permis de progresser dans la compréhension de cette question fondamentale, sans toutefois y apporter une reponse définitive, contrairement aux attentes initiales de certains physiciens. L’objectif de ce cours est de donner un exposé actualisé du sujet. Après une introduction aux concepts de base (états intriqués, opérateur statistique), je développe la théorie de la décohérence sur la base de modèles simples (émission spontanée, équations maîtresses du modèle de Caldeira-Leggett) et je discute les resultats expérimentaux très récents obtenus par exemple avec des molécules du type fullérène ou les jonctions Josephson. La théorie de la mesure est examinée à partir du modèle standard de von Neumann, complétée par les effets de décohérence dans le cadre du modèle proposé par Zurek, dont je discute les points forts et les faiblesses.
La mécanique quantique, avec ses principes contre-intuitifs et ses différences radicales par rapport à la mécanique classique ou à l’électrodynamique, est à la fois l’une des composantes les plus importantes d’une éducation en physique moderne et l’une des plus ardues. Elle requiert à la fois des bases théoriques et des techniques mathématiques dont la maîtrise nécessite beaucoup de temps et d’efforts. Les étudiants suivant des cours de mécanique quantique s’entraînent généralement en traitant des exercices de difficulté croissante, tels que ceux présents dans les deux premiers tomes de l’ouvrage fondamental Mécanique quantique écrit par Cohen-Tannoudji, Diu et Laloë. Ce recueil de corrigés, relatif au tome I, fournit les corrigés détaillés tant attendus de l’intégralité des 69 exercices de ce tome. Son format accessible fournit des explications explicites étape par étape, tout en mettant l’accent aussi bien sur la théorie physique que sur les mathématiques formelles, pour garantir que les étudiants saisissent bien tous les concepts pertinents. Il guide également le lecteur pour appliquer les méthodes des corrigés à des exercices comparables en mécanique quantique. Ce recueil de corrigés est incontournable pour les étudiants en physique, chimie ou science des matériaux désireux de maîtriser ces exercices ardus, ainsi que pour les enseignants à la recherche de méthodes pédagogiques sur le sujet.
La mécanique quantique, avec ses principes contre-intuitifs et ses différences radicales par rapport à la mécanique classique ou à l’électrodynamique, est à la fois l’une des composantes les plus importantes d’une éducation en physique moderne et l’une des plus ardues. Elle requiert à la fois des bases théoriques et des techniques mathématiques dont la maîtrise nécessite beaucoup de temps et d’efforts. Les étudiants suivant des cours de mécanique quantique s’entraînent généralement en traitant des exercices de difficulté croissante, tels que ceux présents dans les deux premiers tomes de l’ouvrage fondamental Mécanique quantique écrit par Cohen-Tannoudji, Diu et Laloë. Ce recueil de corrigés, relatif au tome I, fournit les corrigés détaillés tant attendus de l’intégralité des 69 exercices de ce tome. Son format accessible fournit des explications explicites étape par étape, tout en mettant l’accent aussi bien sur la théorie physique que sur les mathématiques formelles, pour garantir que les étudiants saisissent bien tous les concepts pertinents. Il guide également le lecteur pour appliquer les méthodes des corrigés à des exercices comparables en mécanique quantique. Ce recueil de corrigés est incontournable pour les étudiants en physique, chimie ou science des matériaux désireux de maîtriser ces exercices ardus, ainsi que pour les enseignants à la recherche de méthodes pédagogiques sur le sujet.