Refroidis à une température frôlant le zéro absolu, les atomes peuvent se comporter comme une onde unique appelée condensat de Bose-Einstein.

Dans ses livres mettant en scène les rêves de Mr. Tompkins, le physicien George Gamow jouait avec les constantes physiques pour que les résultats inaccessibles à nos sens apparaissent avec évidence dans le monde de tous les jours. Ainsi, les bizarreries de la mécanique quantique devenaient si importantes qu'une voiture bien à l'abri dans son garage se retrouvait spontanément à l'extérieur le lendemain... Comme les rêveries de Mr. Tompkins, le monde réel réserve des surprises de taille. Car il arrive que l'on surprenne des manifestations macroscopiques de la mécanique quantique. Ainsi, la supraconductivité : ce phénomène se manifeste dans certains matériaux que le courant traverse sans résistance. Résultat d'interactions complexes entre atomes et électrons libres, il est intimement lié aux caractéristiques quantiques de la matière.
Se fondant sur les travaux de l'Indien Satyendra Nath Bose, Einstein prédit dès 1924 l'existence d'un nouvel objet macroscopique au comportement quantique. Son nom : le condensat de Bose-Einstein. Cet objet s'obtiendrait en refroidissant un groupe d'atomes à une température de l'ordre du microkelvin (un millionième de degré au-dessus du zéro absolu). Un refroidissement inaccessible à l'époque, au point qu'Einstein pensait que la condensation resterait de l'ordre de la théorie. "L'idée est belle, mais contient-elle une part de vérité ?", écrivait-il alors. Elle va se concrétiser grâce à l'avènement des lasers, dont la lumière a un fort pouvoir réfrigérant. En 1995, deux équipes américaines réussissent à créer en laboratoire cet état étrange de la matière, ni solide, ni liquide. Que se passe-t-il lorsqu'on refroidit des atomes ? Un objet quantique - particule ou atome - est défini par sa nature ondulatoire. Autrement dit, il se comporte comme une onde dont la longueur est inversement proportionnelle à la vitesse. Ainsi, plus une particule ou un atome est lent, plus sa longueur d'onde augmente. Or ralentir équivaut à refroidir, la température étant une mesure de la vitesse. Au fur et à mesure que l'on refroidit un groupe d'atomes, leurs ondes s'étendent, jusqu'à ce que les longueurs d'onde se recouvrent. À partir d'une température limite, il y a une transition de phase : de même que l'eau se change brusquement en glace sous 0°C, le nuage condense brusquement. Il se comporte alors comme une onde unique. En mécanique quantique, une particule est décrite par son "état". Cette grandeur recouvre l'ensemble des connaissances dont on dispose à son sujet. Le condensat de Bose-Einstein est un ensemble d'atomes qui sont tous dans le même état, ce qui leur confère des propriétés remarquables de cohérence et de comportement collectif macroscopique. Ils sont identiques et indiscernables. On utilise pour cela des bosons (encadré ci-dessous), particules qui peuvent s'accumuler en un nombre arbitrairement grand dans le même état. L'indiscernabilité des bosons augmente de manière spectaculaire la probabilité de configuration condensée.

Quelle est la recette pour obtenir un condensat ? Prenons un gaz de bosons. Le nuage d'atomes est d'abord ralenti par des faisceaux laser, puis transféré dans un piège magnétique dont on laisse les atomes les plus rapides s'échapper : les atomes qui restent sont les plus lents, donc les plus froids, de sorte que la température moyenne s'abaisse. En poursuivant ce refroidissement évaporatif, les physiciens parviennent à obtenir une température suffisamment basse pour que la condensation apparaisse. Sous la température critique, 90 % des atomes du nuage se retrouvent subitement dans le même état quantique. Comme le condensat peut rassembler quelques dizaines de milliers à quelques millions d'atomes et mesurer quelques millimètres, on est en présence d'un objet quantique visible à l'oil nu !
Depuis 1995, de nombreuses espèces atomiques ont été condensées : le rubidium, le sodium, le lithium notamment. Un condensat de Bose-Einstein est l'analogue pour la matière du laser : dans un rayon laser, tous les photons sont dans le même état quantique, ce qui lui confère ses propriétés si particulières. La différence est que la lumière laser est en mouvement tandis qu'un condensat est cantonné dans le piège où il a été créé. Le condensat ne pourrait-il être mis en mouvement de façon à créer un laser à atomes ? Il suffit de ménager une ouverture dans le piège pour que des bouffées d'atomes condensés tombent, formant un laser à atomes pulsés. "Nous sommes maintenant capables d'émettre des bouffées sur quelques millimètres de manière bien contrôlée. Ces 'manip' nous permettent d'explorer la physique des ondes de matière de façon totalement nouvelle", s'enthousiasme David Guéry-Odelin, de l'université Toulouse-III. Des lasers à atomes permettraient à certains dispositifs (horloges atonuques, gyromètres...) de beaucoup gagner en précision. Côté miniaturisation, les physiciens fabriquent des "puces à atomes" de la taille d'une puce électronique sur laquelle ils forment des condensats. Pas question encore, cependant, de mettre un condensat ou un laser à atomes pulsé dans sa poche, car ils se forment dans un vide poussé pour éviter les collisions avec les molécules qui les détruiraient très vite.
Hors de la recherche d'applications, les physiciens, depuis 2003, ont beaucoup avancé sur un nouveau type de condensat obtenu avec des fermions. "C'est un peu plus difficile, car il faut d'abord avoir un mécanisme qui forme des paires de fermions. Lorsque cette paire est assez petite, elle se comporte comme un boson, et l'on retrouve ensuite le condensat habituel. Mais on peut aussi préparer de plus grandes paires, qui ne sont pas des bosons etforment pourtant un condebsat", précise Yvan Castin, de l'Ecole normale supérieure de Paris. La plupart des expériences réalisées avec des bosons ont été reproduites avec des fermions, et les ressemblances sont frappantes. "La grande différence est que deux fermions peuvent interagir fortement, créant de nouveaux effets. C'est une situation analogue au phénomène de la supraconductivité, qui se produit lorsque un gaz d'électrons est refroidi sous une température critique", explique Yvan Castin. Les physiciens espèrent ainsi mieux comprendre la supraconductivité par le modèle plus simple de la condensation fermionique.

Innsbruck (Autriche) et Houston (USA), le 9 novembre 2009. Après les condensats de rubidium ou d'éléments alcalins, voici celui de strontium !

L'équipe autrichienne de Florian Schreck et celle, américaine, de Thomas Killian ont simultanément réussi à produire un condensat de Bose-Einstein, cet étrange état de la matière qui apparait dans un gaz refroidi à quelques nanokelvins au-dessus du zéro absolu, et au sein duquel les atomes perdent leur individualité pour devenir un seul et même objet quantique de quelques micromètres de diamètre. Cette étape attendue dans la matérialisations des condensats va permettre de mieux comprendre les propriétés du strontium. Et marque un pas de plus vers l'horloge optique, encore plus précise que l'horloge atomique.

IL EST UNE MATIÈRE QUI NE S'OBSERVE QU'À TRÈS BASSE TEMPÉRATURE. AU VOISINAGE DU ZÉRO ABSOLU, DES MILLIERS D'ATOMES, QUI SONT AUTANT DE CLONES DE MÊME ÉNERGIE, S'ACCUMULENT EN UN POINT. C'EST LE CONDENSAT PRÉVU PAR BOSE ET EINSTEIN. UNE DE SES PLUS BELLES PROMESSES : L'ORDINATEUR QUANTIQUE.

Il arrive fréquemment que plusieurs décennies s'écoulent avant que la communauté scientifique admette l'importance d'une découverte. à l'inverse, certains résultats obtiennent une reconnaissance si précoce qu'on jurerait qu'ils étaient attendus de pied ferme ! Prenez le condensat de Bose-Einstein. Celui-ci était dans les esprits depuis 70 ans quand l'Allemand Wolfgang Ketterle et les Américains Carl E. Wieman et éric A. Cornell parvinrent à le synthétiser, en 1995, ce qui leur a valu le prix Nobel de physique quelques années plus tard, en 2001. La preuve : le même prix, quatre ans plus tôt, avait été donné au Français Claude Cohen-Tannoudji et aux Américains William D. Phillips, pour avoir permis d'atteindre, au moyen de subtiles techniques de refroidissement, la température - horriblement froide - requise pour l'élaboration de ce fameux condensat. Pourquoi cette reconnaissance précoce de la part de la communauté scientifique - quelques années - alors qu'il s'écoule fréquemment plusieurs décennies entre une découverte et l'obtention du prix ? Parce qu'à tous, il n'a pas fallu beaucoup de temps pour comprendre que ce résultat jetait les bases d'un nouveau domaine de la physique, fécond autant pour la recherche que pour ses applications.

Car le condensat de Bose-Einstein, qu'est-ce que c'est ? Ce sont des millions d'atomes qu'on refroidit et qui, tout d'un coup, ne font plus qu'un. Ils sont tous au même endroit, "condensés" en un point, et ont tous la même énergie. Bref, toute une garnison d'atomes rigoureusement identiques, une armée de clones par faitement synchronisés. Passé l'émoi de la découverte en 1995, et quand l'obtention du condensat est devenue affaire de routine, les physiciens ont commencé à s'intéresser de plus près aux applications. Et la première à laquelle ils ont pensé, c'est le laser à atomes.
L'idée, c'est qu'un condensat de Bose-Einstein ressemble beaucoup à l'intérieur d'un laser normal. Celui-ci contient des "particules de lumière", les photons, tous identiques, qu'il envoie à l'extérieur.
C'est justement là son grand intérêt : l'uniformité des photons fait que l'énergie de la lumière que le laser émet a toujours la même valeur, connue très précisément. De la même façon, un condensat de Bose-Einstein pourrait délivrer un "rayon de matière", constitué non plus de photons identiques mais d'atomes. Un laser comporte des particules de LUMIÈRE. LE CONDENSAT de Bose-Einstein délivrerait, lui, un "rayon de matière".

L'idée d'utiliser les atomes comme des photons n'est pour tant pas nouvelle. Depuis Louis de Broglie au début du XXe siècle, on sait que la matière a elle aussi les caractéristiques d'une onde. Et depuis une dizaine d'années, il est devenu presque monnaie courante de faire des expériences d'optique avec des atomes. Mais grâce à la découverte de Ketterle, Wieman et Cornell, on possède désormais les éléments pour construire un laser à atomes. Et quand on connaît les applications qu'a eues le laser classique, du DVD à la médecine en passant par les télécommunications, on comprend mieux l'excitation autour de cette découverte. Difficile d'énumérer de manière exhaustive les domaines où le laser à atomes trouvera ses applications d'autant que sa mise au point, si elle est en bonne voie, n'est pas encore finalisée. Mais quelques-unes sont déjà envisageables : améliorer fortement l'exactitude des horloges atomiques, utilisées par exemple par le GPS, ou pour synchroniser les réseaux de télécommunications. Mais aussi celles des gyroscopes, ces appareils avec lesquels les avions ou les sondes spatiales contrôlent très précisément leur position. "Le fait que les atomes aient une masse, devrait faire gagner aux gyroscopes plusieurs ordres de grandeur de précision", explique Jean Dalibard, directeur de recherche au laboratoire Kastler-Brossel de l'école normale supérieure. Pour la même raison, un laser à atomes devrait pouvoir créer des "hologrammes solides" avec une résolution très fine. Une piste prometteuse pour réaliser en série des composants électroniques à l'échelle nanométrique.
Mais il y a d'autres chercheurs pour lesquels le condensat de Bose-Einstein est du pain béni. Ce sont ceux qui s'intéressent à un objet dont on parle depuis longtemps, mais qui n'a jamais encore été réalisé : l'ordinateur quantique. Une approche radicalement différente, à la fois dans la façon de calculer et dans le support physique qui effectue ce calcul. En effet, quand l'informatique classique manipule des O et des 1, cela se traduit par le déplacement de millions d'électrons dans un condensateur ou un transistor. Pour l'informatique quantique, un O ou un 1, c'est un seul électron (ou un photon, ou atome), ce qui la rend bien plus économe. Plus économe soit, mais qui connaît les lois de la mécanique quantique sait qu'elles sont complexes et très différentes de celles dont nous faisons l'expérience à notre échelle. Alors quel peut être l'intérêt de manipuler des bits au comportement si étrange ? D'abord, au vu du rythme de la miniaturisation de l'électronique, on passera tôt ou tard dans le domaine de la physique quantique, dont il faudra bien gérer les effets.
Mais le grand avantage des ordinateurs quantiques est leur rapidité potentielle par rapport à leurs équivalents classiques. Et ces derniers sont d'autant plus distancés que le nombre de calculs à effectuer sera grand.
Pour comparer l'efficacité des deux approches, prenons pour exemple le temps nécessaire à un supercalculateur et à un ordinateur quantique pour déchiffrer un code secret à nombreux chiffres, tels ceux sur lesquels repose la sécurité de nombreuses transactions bancaires. Le seul moyen, c'est de trouver par quels nombres il faut les diviser pour que la division tombe juste, ce qui est laborieux et extrêmement long. Par exemple, le niveau de sécurité actuel recommande d'employer comme code secret "une clé de 1024 bits", c'est-à-dire un nombre de plus de 300 chiffres. Normalement, le décrypter avec un supercalculateur actuel devrait prendre quelques millions d'années. Avec un ordinateur quantique, cette durée pourrait être ramenée à deux ou trois ans !
D'où vient cette efficacité ? Des fondements même de la physique quantique. Un bit, dans le monde normal, ne tergiverse pas des heures quand on lui demande sa valeur : ou c'est 0, ou c'est 1. Dans le monde quantique, le bit s'appelle un qubit et il est beaucoup plus hésitant car il est un peu les deux à la fois. Par exemple, dans 30 % des cas il répondra "je suis O", et dans 70 % "je suis 1". Et avant qu'on le lui demande, il n'est pas déterminé, il est dans un "état quantique" qui englobe à la fois le O et le 1. Il pourrait être dans l'état quantique 1 ou O dès le départ, mais en général il est la superposition des deux. Affreuse complication ? Non, au contraire. Cela signifie qu'un ordinateur quantique peut faire un calcul sur le bit O et le bit 1 en même temps, là où un ordinateur classique ferait deux opérations.
Et le gain de temps croît quand le nombre de qubits augmente. Sur le papier, l'informatique quantique est donc extrêmement performante. Dans la pratique, évidemment, on est loin du compte car sa mise au point est extrêmement délicate. Que faut-il en effet pour fabriquer un tel ordinateur ? Un système physique qui existe dans deux états quantiques différents, qui vont jouer le rôle du O et du 1. Par exemple, avec un ion : dans son énergie la plus basse il est le 0, et dans l'énergie juste au-dessus il est le 1. D'autres systèmes sont possibles, comme la résonance magnétique nucléaire (RMN), qu'on utilise d'habitude plutôt pour regarder l'intérieur du corps humain. Mais tous ont le même problème : il est très difficile de les isoler du monde extérieur. Or, la moindre perturbation change l'état quantique du système, donc fausse le calcul. Deuxième inconvénient : on a rarement pu utiliser plus de 2 ou 3 qubits en même temps. On est encore loin des microprocesseurs... Mais c'est là que le condensat de Bose-Einstein a une carte à jouer. Car c'est un système qui, du point de vue quantique, est d'une propreté immaculée : tous les atomes sont dans le même état quantique. Autrement dit, les atomes, donc les qubits de l'ordinateur, sont initialisés "d'avance", il ne reste plus qu'à faire les calculs. Et les qubits s'y comptent par centaines de milliers... Sauf que les atomes d'un condensat de Bose-Einstein sont tous au même endroit. Ce qui empêche de les manipuler un par un, donc d'effectuer des opérations.

La solution ? Les ranger dans une sorte de casier. Un casier un peu particulier, dont les parois sont... en lumière. Plus exactement, en rayons de lasers - tout à fait classiques ceux-là - qu'on envoie les uns contre les autres. Ils interfèrent, ce qui produit une espèce d'édifice lumineux, formé de "cases", de sites régulièrement espacés vers les quels les atomes sont attirés : voilà pour le casier. Reste à y mettre les atomes. C'est là qu'un nouveau problème apparaît : ceux-ci, précédemment réunis dans le condensat, ne se laissent pas facilement séparer. Une fois dedans, chacun va voir ce que fait le voisin d'à côté ; comme des passe-murailles, les atomes passent sans cesse d'un site à l'autre. Que faire ? Ce sont des théoriciens autrichiens, exhumant et adaptant en 1998 un article qui datait de près de dix ans qui ont les premiers apporté un élément de solution. Ils comprennent que la théorie qui y est décrite, prévue initialement pour tout autre chose, peut s'appliquer a leur problème. "Si on augmente l'intensité des lasers qui construisent le casier, expliquent-ils, les atomes vont être attirés beaucoup plus fortement dans les sites." Autrement dit, les parois du casier seront en quelque sorte devenues trop épaisses pour pouvoir être franchies, ce qui mettra un terme à la bougeotte des atomes. Mals s'ils choisissaient de tous s'entasser dans un même site ? "Impossible, explique Jean Dalibard. Ces atomes étant légèrement plus chauds que dans un condensat, ils se repoussent". Pour fabriquer un condensat de Bose-Einstein la température est abaissée jusqu'à quelques milliardièmes de degrés au-dessus du zéro absolu (-273°C). Ce qui met les atomes dans le même état, celui où leur énergie est la plus basse, et permet de vaincre leur comportement habituel qui est de se repousser. Mais ici, on fait le chemin inverse. En les réchauffant légèrement, on réanime la répulsion. L'union sa crée du condensat se fendille ; chacun préfère rester chez soi, dans sa case.
Quatre ans plus tard, en 2002, l'équipe dirigée par Theodor Hànsch à Munich a réussi à confirmer cette intuition. "Par une belle expérience, commente Jean Dalibard, ils ont prouvé qu'ils pouvaient contrôler précisément le nombre d'atomes par site". Les qubits se profilent à l'horizon... Ce succès a généré un engouement important, et depuis deux ans les publications sur le sujet s'amoncellent. Elles portent notamment sur les moyens de manipuler ces qubits, préalables à la mise en oeuvre de véritables calculs. Plusieurs idées sont actuellement testées, comme faire passer un étage du casier à travers un autre. De cette façon, leurs sites entrent en collision, ce qui fait passer les qubits d'un état à un autre. Ou encore on utilise un casier "accordéon" : quand on veut intervenir sur un site, donc sur un qubît, on écarte les sites voisins, de façon à ne pas les perturber, et quand c'est fini on remet tout en place.

Neuf ans après sa découverte, le condensat de Bose-Einstein n'en finit plus de faire parler de lui. Voici peut-être enfin pour les physiciens le moyen de dominer cette damnée mécanique quantique ?