Le prix Nobel de physique décerné à trois chercheurs pour leurs découvertes en mécanique quantique
Le prix Nobel de physique décerné à trois chercheurs pour leurs découvertes en mécanique quantique, la discipline est "à la base de toute technologie numérique", note le président du comité Nobel de physique
Le prix Nobel de physique 2025 a été décerné à trois chercheurs, dont un Français, pour leurs travaux révolutionnaires ayant permis de mettre en évidence des phénomènes quantiques macroscopiques. Les lauréats ont démontré qu'il était possible d'observer un comportement quantique dans des conditions soigneusement contrôlées, même pour des systèmes de grande taille composés de milliards de ces petites particules. Réalisés dans les années 1980, ces travaux ont jeté les bases du développement de l'informatique quantique et influent encore aujourd'hui sur le domaine.
L'informatique quantique est le sous-domaine de l'informatique qui traite des calculateurs quantiques et des modèles de calcul associés. La notion s'oppose à celle d'informatique dite « classique » n'exploitant que des phénomènes décrits par la physique classique, notamment l'électricité ou la mécanique classique. En effet, l'informatique quantique utilise également des phénomènes décrits par la mécanique quantique, comme l'intrication quantique ou la superposition quantique. Les opérations ne sont plus basées sur la manipulation de bits dans un état 1 ou 0, mais de qubits en superposition d'états 1 et 0. Comme toutes les sciences dites « quantiques », l'informatique quantique est une science qui traite de sujets en rapport avec l'infiniment petit. Ainsi, ce qui permet les super-calculateurs quantiques en informatique, c'est l'utilisation d'unités de calculs infiniment petits et pouvant contenir énormément d'informations, qu'on appelle des Qbits (des Qtrits et des Qdits aussi, selon ce qu'on veut faire). Ce traitement particulier a permis notamment des prouesses de miniaturisation et des avancées spectaculaires pour augmenter les cadences de calcul, mais aussi pour construire de nouveaux outils, comme les lunettes quantiques.
Les particules de très petite taille, de l'ordre de l'atome ou moins, se comportent de manière très différente des objets que nous rencontrons dans notre vie quotidienne. Le comportement des petites particules, parfois extrêmement contre-intuitif, est décrit par les lois de la mécanique quantique. Ces particules individuelles semblent exister à plusieurs endroits à la fois (superposition) ou traverser comme par magie des barrières physiques telles que des murs (effet tunnel). Ces propriétés ne sont généralement pas observées chez les objets de grande taille, même s'ils sont constitués des mêmes petites particules.
Le prix Nobel de physique de cette année a été décerné à trois scientifiques qui ont démontré qu'il était possible, même pour de grands systèmes composés de milliards de ces petites particules, de présenter un comportement quantique dans des conditions soigneusement contrôlées. John Clarke, Michel Devoret et John Martinis ont reçu le prix Nobel de physique 2025 « pour la découverte de l'effet tunnel quantique macroscopique et de la quantification de l'énergie dans un circuit électrique ».
Leurs travaux, réalisés au milieu des années 1980, ont ouvert la voie au développement des ordinateurs quantiques, qui constituent aujourd'hui l'un des domaines les plus actifs de la recherche scientifique.
Effet tunnel
John Clarke, Michel Devoret et John Martinis travaillaient ensemble à l'université de Californie, à Berkeley, lorsqu'ils ont mené une série d'expériences en 1984 et 1985 sur des circuits électriques spéciaux. John Martinis était doctorant, Devoret était post-doctorant et Clarke était leur professeur et directeur de thèse lorsqu'ils ont mené ces travaux.
Pour leurs expériences, ils ont utilisé un dispositif très similaire à celui qui avait déjà valu à Brian Josephson le prix Nobel de physique en 1973. Il s'agissait d'un circuit électrique contenant deux supraconducteurs, des matériaux qui, dans des conditions particulières, permettent à l'électricité de circuler librement sans aucune résistance. Les deux supraconducteurs étaient séparés par un isolant mince, un matériau qui ne laisse passer aucun courant électrique.
Dans des circonstances normales, ce type de circuit ne permettrait pas la circulation du courant, car l'isolant agit comme une barrière. Mais l'utilisation de supraconducteurs (au lieu de matériaux conducteurs normaux) permet la circulation du courant — une découverte qui a valu à Josephson le prix Nobel et qui a donné à la configuration supraconducteur-isolant-supraconducteur le nom de jonction Josephson.
« La supraconductivité elle-même est, en quelque sorte, un comportement quantique. Tous les électrons du matériau se déplacent ensemble de manière coordonnée, comme s'ils faisaient partie d'une seule onde quantique. Dans le type de configuration électrique créée par Josephson, le courant électrique présente un effet tunnel, ce qui n'est pas surprenant pour une particule quantique », explique Rajamani Vijayraghavan, professeur associé au département de physique de la matière condensée et des sciences des matériaux de l'Institut Tata de recherche fondamentale. Vijayraghavan a obtenu son doctorat sous la direction de Michel Devoret et a également collaboré avec les deux autres lauréats.
Les travaux de Josephson ont été révélateurs et ont donné lieu à toute une série de nouvelles applications, par exemple dans le domaine des mesures précises des constantes physiques fondamentales et des champs magnétiques.
Prédiction et confirmation
John Clarke, professeur à l'université de Californie à Berkeley, étudiait certains de ces phénomènes avec la jonction Josephson dans les années 1980, lorsqu'il a été rejoint par Michel Devoret et John Martinis. Influencés par les prédictions d'un autre physicien lauréat du prix Nobel, Tony Leggett, qui avait suggéré que le comportement quantique à un niveau macroscopique pouvait être observé dans un dispositif de type jonction Josephson, le trio a commencé à travailler pour valider cette hypothèse expérimentalement.
Ils ont utilisé un dispositif similaire à celui de Josephson, mais ont dû prendre soin d'isoler méticuleusement l'ensemble du dispositif de son environnement afin d'éviter toute interférence. La moindre interférence pouvait détruire les effets quantiques.
Ce qu'ils ont finalement pu démontrer, c'est que l'ensemble du circuit, et pas seulement les électrons circulant dans le dispositif de Josephson, présentait un comportement quantique.
Le circuit ne pouvait exister que dans certains états énergétiques discrets, chacun correspondant à une valeur particulière du courant, et non dans des états énergétiques intermédiaires, ce qui est un comportement typiquement quantique. De plus, le circuit pouvait passer d'un état énergétique discret à un autre à travers la barrière isolante, démontrant ainsi un effet tunnel quantique macroscopique.
« C'était la première fois que le comportement quantique était démontré à une échelle macroscopique. C'était très important. Cependant, cela n'a pas fait beaucoup de bruit à l'époque. Mais avec le temps, l'importance de leur résultat a été reconnue et ses implications ont commencé à apparaître clairement », a déclaré Vijayaraghavan.
« Du point de vue de la physique fondamentale, cela a apporté la première réponse claire à la question de savoir quelle taille un système peut avoir tout en continuant à présenter un comportement quantique. Cette question n'est toujours pas résolue, mais au moins cette expérience a montré que des systèmes aussi grands que celui-ci pouvaient présenter un comportement quantique. Du point de vue de l'impact, je dirais que cela a vraiment ouvert la voie à la construction de bits quantiques, ou qubits, qui sont des unités d'information dans un ordinateur quantique. À l'époque où ces travaux ont été réalisés, les ordinateurs quantiques étaient encore loin d'exister. Mais aujourd'hui, les circuits supraconducteurs sont l'une des plateformes les plus populaires pour créer des qubits », a-t-il déclaré.
Le communiqué de presse du comité Nobel de Physique est présenté ci-dessous :
Source : Annonce des lauréats du prix Nobel de physique 2025L'Académie royale des sciences de Suède a décidé d'attribuer le prix Nobel de physique 2025 à :
- John Clarke, Université de Californie, Berkeley, États-Unis
- Michel H. Devoret, Université Yale, New Haven, Connecticut, États-Unis, et Université de Californie, Santa Barbara, États-Unis
- John M. Martinis, Université de Californie, Santa Barbara, États-Unis
« pour la découverte de l'effet tunnel quantique macroscopique et de la quantification de l'énergie dans un circuit électrique ».
Leurs expériences sur une puce ont révélé la physique quantique en action.
Une question majeure en physique est la taille maximale d'un système pouvant démontrer des effets quantiques. Les lauréats du prix Nobel de cette année ont mené des expériences avec un circuit électrique dans lequel ils ont démontré à la fois l'effet tunnel quantique et les niveaux d'énergie quantifiés dans un système suffisamment grand pour tenir dans la main.
La mécanique quantique permet à une particule de traverser une barrière en ligne droite, grâce à un processus appelé « effet tunnel ». Dès qu'un grand nombre de particules est impliqué, les effets quantiques deviennent généralement insignifiants. Les expériences menées par les lauréats ont démontré que les propriétés quantiques peuvent être concrétisées à une échelle macroscopique.
En 1984 et 1985, John Clarke, Michel H. Devoret et John M. Martinis ont mené une série d'expériences avec un circuit électronique constitué de supraconducteurs, des composants capables de conduire le courant sans résistance électrique. Dans le circuit, les composants supraconducteurs étaient séparés par une fine couche de matériau non conducteur, une configuration connue sous le nom de jonction Josephson. En affinant et en mesurant toutes les différentes propriétés de leur circuit, ils ont pu contrôler et explorer les phénomènes qui se produisaient lorsqu'ils y faisaient passer un courant. Ensemble, les particules chargées se déplaçant à travers le supraconducteur formaient un système qui se comportait comme s'il s'agissait d'une seule particule remplissant l'ensemble du circuit.
Ce système macroscopique de type particulaire se trouve initialement dans un état où le courant circule sans tension. Le système est piégé dans cet état, comme s'il était bloqué derrière une barrière infranchissable. Dans l'expérience, le système montre son caractère quantique en parvenant à échapper à l'état de tension nulle grâce à l'effet tunnel. Le changement d'état du système est détecté par l'apparition d'une tension.
Les lauréats ont également pu démontrer que le système se comporte de la manière prévue par la mécanique quantique : il est quantifié, ce qui signifie qu'il n'absorbe ou n'émet que des quantités d'énergie spécifiques.
« C'est merveilleux de pouvoir célébrer la façon dont la mécanique quantique, vieille d'un siècle, continue d'offrir de nouvelles surprises. Elle est également extrêmement utile, car la mécanique quantique est à la base de toutes les technologies numériques », déclare Olle Eriksson, président du Comité Nobel de physique.
Les transistors des micropuces informatiques sont un exemple de la technologie quantique établie qui nous entoure. Le prix Nobel de physique de cette année a ouvert la voie au développement de la prochaine génération de technologies quantiques, notamment la cryptographie quantique, les ordinateurs quantiques et les capteurs quantiques.
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