Sur quelques questions reliees au formalisme de la mecanique quantique: la resolution d'equations dans differentes bases, geometrisation de l'espace de Hilbert et intrication quantique
"Notre but dans cet ouvrage sera de tenter d'apporter une contribution à la visualisation de la mécanique quantique. Nous avons trois volets d'études qui sont plus ou moins reliés entre eux, mais qui ont tous ce même but. Dans le chapitre 2, nous y survolons le formalisme de la théorie quantique nécessaire à la compréhension des trois sujets à l'étude. Nous y clarifions la définition de vecteurs d'états, d'opérateurs et d'espaces vectoriels (fini ou infini dénombrable et infini non-dénombrable). Dans notre premier volet, au chapitre 3, nous y étudions la correspondance entre la base des coordonnées et la base des quantités de mouvement. Plus spécifiquement, nous y comparons la démarche de résolution de l'équation de Schrôdinger dans chacune de ces deux bases."
"Notre but dans cet ouvrage sera de tenter d'apporter une contribution à la visualisation de la mécanique quantique. Nous avons trois volets d'études qui sont plus ou moins reliés entre eux, mais qui ont tous ce même but. Dans le chapitre 2, nous y survolons le formalisme de la théorie quantique nécessaire à la compréhension des trois sujets à l'étude. Nous y clarifions la définition de vecteurs d'états, d'opérateurs et d'espaces vectoriels (fini ou infini dénombrable et infini non-dénombrable). Dans notre premier volet, au chapitre 3, nous y étudions la correspondance entre la base des coordonnées et la base des quantités de mouvement. Plus spécifiquement, nous y comparons la démarche de résolution de l'équation de Schrôdinger dans chacune de ces deux bases."
Nous examinons les relations possibles entre la relativité générale et la mécanique quantique, du point de vue des représentations qu'elles se font de l'espace et du temps, qui sont différentes. Nous nous rapportons à notre propre compréhension des concepts d'espace et de temps, construits en opposition l'un à l'autre à partir des phénomènes physiques, et non constituant un cadre extérieur a priori. Dans le cadre d'une pensée relationnelle, on ne peut que comparer des phénomènes à d'autres phénomènes, et de cette confrontation naissent les repères d'espace-temps, dessinés par les trajectoires de certains phénomènes considérés arbitrairement de façon privilégiée. C'est dans ce cadre qu'il faut penser la possible association de la relativité générale (qui n'a pas le monopole de l'espace et du temps) et de la mécanique quantique (qui n'a pas le monopole de la quantification, cette dernière devant être comprise par la comparaison de deux classes de phénomènes dans une vision probabiliste). La question générale à se poser est celle d'échanges possibles entre les différents points de vue, appuyés sur les divers phénomènes possibles, c'est-à-dire ceux sur lesquels espace et le temps sont définis, et les autres. Ce ne sont pas l'espace et le temps qui disparaissent, ce sont les points de vue qui s'échangent. Ces échanges sont rendus possibles en représentant espace et temps, comme les autres phénomènes, par une paire de champs (r, t) ; r et t sont des vecteurs dans un espace à trois dimensions (le temps est marqué par la position d'un point mobile dans le même espace que celui qui définit la position des points), en opposition aux paires de champs (f, g) associées aux autres phénomènes (comme l'est la paire des champs électrique et magnétique). On peut in fine envisager une quantification de l'espace et du temps ; on peut envisager encore la définition de temps et espace par la seule mécanique quantique. Un cadre préliminaire et qualitatif est ici présenté comme base de futures recherches quantitatives.
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).
La mécanique quantique est désormais une discipline scientifique de base, enseignée dans toutes les universités.Elle permet de rendre compte du comportement du monde microscopique avec une précision impressionnante, et en particulier du fonctionnement de tous les objets techniques (ordinateurs, téléphones mobiles, disques laser, etc.) que nous utilisons dans notre vie courante.Une pratique quotidienne de cette discipline permet au physicien d'acquérir une certaine maîtrise dans le maniement du formalisme quantique, une certaine intuition des erreurs qu'il ne faut pas commettre, de la démarche qu'il faut suivre pour parvenir au résultat correct.Cependant, lequel d'entre nous n'a pas ressenti, au moins une fois dans son parcours scientifique, un certain trouble concernant les fondements de la théorie quantique, l'impression qu'une formulation convaincante et satisfaisante de cette théorie restait encore à élaborer.Un grand nombre d'ouvrages d'enseignement de la mécanique quantique sont désormais disponibles, qui présentent en détail le formalisme quantique traditionnel et la manière dont il permet de rendre compte des propriétés des atomes et molécules, des corps solides et liquides, des interactions matière-rayonnement, et plus généralement du monde physique qui nous entoure.D'autres livres retracent l'histoire de l'élaboration de cette discipline, et décrivent les diverses étapes qui ont conduit à sa formulation moderne.Rares sont cependant ceux qui présentent, d'une part une revue des difficultés conceptuelles de la théorie, et d'autre part un panorama complet de toutes les tentatives de reformulation de la mécanique quantique ayant pour but de résoudre, au moins partiellement, ces difficultés.L'ouvrage présent de Franck Laloë répond à ces deux objectifs.Il introduit et discute en détail un certain nombre de résultats et de notions, comme le théorème d'Einstein-Podolsky-Rosen, le théorème de Bell, l'intrication quantique, qui illustrent clairement le caractère étrange du comportement quantique.Au cours des dernières décennies, des progrès expérimentaux importants ont été réalisés.Par exemple, il est devenu possible de suivre l'évolution en temps réel d'un atome unique.De nombreuses expériences, considérées comme des "expériences de pensée" par les pères fondateurs de
La question du rapport entre le formalisme et l'interprétation physique se pose non seulement au moment des réorganisations d'un système théorique et conceptuel, mais dans le travail d'élaboration théorique lui-même. C'est sous ce double aspect que nous examinons les travaux et la pensée de Schrödinger relativement à la physique quantique. Son travail sur le formalisme mathématique est constamment sous-tendu par une pensée proprement physique qui prend la forme d'une intuition ondulatoire, garante pour lui de l'intelligibilité. Quant à sa pensée de l'interprétation de la mécanique quantique, elle reste marquée, à travers son évolution, par une ‘image ondulatoire du monde'. On étudie également la manière dont il aborde la structure de l'espace-temps de la Relativité générale, favorisant la possibilité d'une interprétation directe des grandeurs géométriques spatiotemporelles.
La mécanique quantique est sans aucun doute la théorie la mieux vérifiée qui n’a jamais existée. En se retournant vers le passé, nous constatons qu’un siècle de théorie quantique a non seulement changé la perception que nous avons de l’univers dans lequel nous vivons mais aussi est responsable de plusieurs concepts technologiques qui ont le potentiel de révolutionner notre monde. La présente dissertation a pour but de mettre en avance ces potentiels, tant dans le domaine théorique qu’expérimental. Plus précisément, dans un premier temps, nous étudierons des protocoles de communication quantique et démontrerons que ces protocoles offrent des avantages de sécurité qui n’ont pas d’égaux en communication classique. Dans un deuxième temps nous étudierons trois problèmes spécifiques en clonage quantique ou chaque solution apportée pourrait, à sa façon, être exploitée dans un problème de communication quantique. Nous débuterons par décrire de façon théorique le premier protocole de communication quantique qui a pour but la distribution d’une clé secrète entre deux parties éloignées. Ce chapitre nous permettra d’introduire plusieurs concepts et outils théoriques qui seront nécessaires dans les chapitres successifs. Le chapitre suivant servira aussi d’introduction, mais cette fois-ci penché plutôt vers le côté expériemental. Nous présenterons une élégante technique qui nous permettra d’implémenter des protocoles de communication quantique de façon simple. Nous décrirons ensuite des expériences originales de communication quantique basées sur cette technique. Plus précisément, nous introduirons le concept de filtration d’erreur et utiliserons cette technique afin d’implémenter une distribution de clé quantique bruyante qui ne pourrait pas être sécurisé sans cette technique. Nous démontrerons ensuite des expériences implémentant le tirage au sort quantique et d’identification quantique. Dans un deuxième temps nous étudierons des problèmes de clonage quantique basé sur le formalisme introduit dans le chapitre d’introduction. Puisqu’il ne sera pas toujours possible de prouver l’optimalité de nos solutions, nous introduirons une technique numérique qui nous permettra de mettre en valeur nos résultats.
A la poursuite de l’individuation : description mathématique des systèmes physiques Résumé: Ce travail se veut une analyse conceptuelle de certains développements récents dans les fondements mathématiques de la Mécanique Classique et de la Mécanique Quantique qui ont permis de formuler ces deux théories dans un même langage. Du point de vue algébrique, l’ensemble des observables d’un système physique, soit-il classique ou quantique, est décrit par une algèbre de Jordan-Lie. Du point de vue géométrique, l’espace des états de tout système est décrit par un espace uniforme de Poisson avec transition de probabilité. Ces deux structures mathématiques sont ici interprétées comme une manifestation du double rôle constitutif des propriétés en physique : elles sont à la fois des quantités et des transformations. Il s’agit alors de comprendre l’articulation précise entre ces deux rôles. Au cours de l’analyse, il apparaîtra que la Mécanique Quantique peut être vue comme se distinguant de la Mécanique Classique par une condition de compatibilité entres les quantités et les transformations.D’autre part, cette thèse met en évidence l’existence d’une tension fondamentale entre une certaine façon abstraite de concevoir les structures mathématiques, présente dans la pratique de la physique mathématique, et la nécessité de spécifier des états ou des observables particulières. Il devient alors important de comprendre comment, dans le formalisme, se construit un schéma d’indexation. La “poursuite de l’individuation” est l’analyse de différentes techniques mathématiques vues comme tentatives de résolution ce problème. En particulier,nous discuterons comment la théorie des groupes permet d’y apporter une solution partielle.