Qu'est-ce que la décohérence quantique et pourquoi est-elle importante ?

La décohérence quantique décrit la manière dont un système quantique perd, pour ainsi dire, la possibilité manifeste de produire des interférences lorsqu’il interagit avec son environnement. Elle est essentielle pour comprendre pourquoi les phénomènes de superposition, courants à l’échelle des particules, ne se manifestent pas directement dans notre expérience des objets macroscopiques. Elle ne constitue toutefois ni une disparition magique de l’état quantique ni, à elle seule, un effondrement de la fonction d’onde : elle rend certaines propriétés quantiques pratiquement inaccessibles à l’observation.

L’interaction avec l’environnement

Un système quantique parfaitement isolé peut être préparé dans une superposition de plusieurs états. Dès qu’il entre en interaction avec des molécules d’air, des photons, un appareil de mesure ou son environnement thermique, il s’enchevêtre avec eux. Cela signifie que l’état du système et celui de l’environnement ne peuvent plus être décrits indépendamment : à chaque possibilité du système correspondent des états différents de son environnement. Les informations relatives aux phases de la superposition se trouvent alors dispersées dans un très grand nombre de degrés de liberté. Pour le système considéré seul, les termes qui permettent les interférences deviennent extrêmement faibles ou inaccessibles. Il se comporte alors, en pratique, comme s’il était dans un mélange d’états bien définis, même si la description quantique globale du système et de son environnement demeure une superposition intriquée.

Une transition vers le comportement classique

La décohérence explique ainsi une partie essentielle de la transition entre la description quantique et le comportement classique. Certaines propriétés, comme une position ou une orientation macroscopique, deviennent particulièrement stables face aux interactions avec l’environnement. Les alternatives correspondantes ne peuvent plus produire d’interférences observables, ce qui permet d’utiliser une description classique faite d’objets possédant des propriétés déterminées. Cette explication ne signifie pas que la mécanique quantique cesse de s’appliquer aux objets volumineux : elle indique plutôt pourquoi leurs superpositions sont extrêmement difficiles à maintenir et à détecter. La frontière entre les deux régimes n’est donc pas nécessairement une limite nette fixée par une taille précise ; elle dépend notamment du degré d’isolement du système et de la nature de ses interactions.

Le cas du chat de Schrödinger

Le chat imaginé par Erwin Schrödinger sert à mettre en évidence la difficulté conceptuelle des superpositions appliquées au monde macroscopique. Un dispositif quantique pourrait, dans l’expérience de pensée, être corrélé à deux états du chat. En raison de ses échanges incessants avec l’air, les rayonnements thermiques et les autres éléments de la boîte, le chat s’enchevêtrerait cependant très rapidement avec son environnement. Les interférences entre les deux alternatives deviendraient alors pratiquement impossibles à observer. Il faut néanmoins éviter une conclusion excessive : la décohérence ne démontre pas, à elle seule, que le chat est objectivement dans un état unique, et elle ne remplace pas l’interprétation de la mesure. Elle explique pourquoi une superposition macroscopique ne se comporte pas comme une superposition facilement observable, mais ne tranche pas à elle seule la question de l’effondrement de la fonction d’onde.

Un enjeu pour les technologies quantiques

La décohérence est à la fois un phénomène fondamental et un obstacle pratique. Les ordinateurs quantiques, les capteurs et d’autres dispositifs quantiques doivent préserver suffisamment longtemps les superpositions et les intrications nécessaires à leur fonctionnement. Les interactions incontrôlées avec l’environnement introduisent des erreurs en dispersant l’information quantique. Les chercheurs cherchent donc à isoler les systèmes, à réduire les perturbations thermiques et à employer des protocoles de contrôle et de correction d’erreurs. À l’inverse, certaines expériences utilisent volontairement l’interaction avec l’environnement pour étudier l’émergence du comportement classique. La décohérence n’est donc pas une théorie qui ferait disparaître les lois quantiques : c’est le mécanisme qui relie, dans les observations pratiques, la dynamique quantique des systèmes et l’apparence classique du monde quotidien.