Qu'est-ce que la superposition quantique ?

La superposition quantique désigne la possibilité, pour un système quantique, d’être décrit par une combinaison de plusieurs états possibles avant qu’une mesure ne soit effectuée. Un électron peut ainsi être préparé dans une superposition de deux états de spin, souvent notés « up » et « down ». Cette propriété n’est pas une simple incertitude sur un état déjà déterminé : elle constitue une caractéristique de la description quantique et produit des effets observables, notamment grâce aux phénomènes d’interférence.

Une combinaison d’états

En mécanique quantique, l’état d’un système est représenté par un vecteur d’état, ou, dans certains cas, par une fonction d’onde. La superposition correspond à une combinaison linéaire de plusieurs états, à laquelle sont associés des coefficients qui déterminent les probabilités des différents résultats possibles lors d’une mesure. Pour un qubit, par exemple, l’état peut s’écrire comme une combinaison de l’état 0 et de l’état 1. Tant qu’aucune mesure ne sélectionne un résultat, le système conserve cette description superposée et les amplitudes quantiques peuvent interférer entre elles. L’équation de Schrödinger décrit l’évolution de cet état au cours du temps ; elle n’est pas la fonction d’onde elle-même.

Le rôle de la mesure

Lorsqu’une mesure est réalisée, elle ne révèle pas nécessairement une valeur qui aurait simplement été cachée auparavant. Elle produit un résultat parmi ceux autorisés par l’état quantique, avec des probabilités déterminées par la superposition, et l’état du système est alors associé au résultat obtenu. C’est pourquoi un électron préparé dans une superposition de deux orientations de spin peut donner « up » ou « down » lors de la mesure, plutôt que les deux résultats simultanément dans l’appareil. La superposition ne doit donc pas être comprise comme une image classique de plusieurs objets distincts occupant chacun un état : elle décrit une propriété quantique dont les effets peuvent être testés expérimentalement.

Le chat de Schrödinger

En 1935, Erwin Schrödinger a proposé l’expérience de pensée du chat placé dans une boîte, avec un dispositif déclenché par la désintégration aléatoire d’un atome radioactif. Si l’on applique formellement la description quantique à l’ensemble du dispositif, l’atome peut être associé à une superposition de deux possibilités, désintégré et non désintégré, qui correspondent respectivement à un chat mort ou vivant. Le paradoxe ne constitue pas une expérience destinée à maintenir réellement un chat dans un état macroscopique observable à la fois mort et vivant. Il met plutôt en évidence la difficulté à comprendre comment une description quantique, issue du monde microscopique, se relie aux résultats définis de notre expérience quotidienne.

Des qubits aux technologies quantiques

La superposition est exploitée dans les technologies quantiques, notamment avec les qubits des ordinateurs quantiques. Un bit classique vaut 0 ou 1, tandis qu’un qubit peut être préparé dans une superposition de ces deux états. Cette propriété ne signifie pas qu’un ordinateur quantique essaie automatiquement toutes les solutions et obtient toutes les réponses en parallèle : les algorithmes doivent organiser les interférences entre les amplitudes afin de favoriser certains résultats lors de la mesure. Les qubits sont toutefois sensibles aux interactions avec leur environnement. La décohérence peut altérer ou détruire les relations nécessaires à la superposition, ce qui constitue un obstacle majeur à la réalisation de dispositifs quantiques fiables. La maîtrise de ces effets est donc essentielle au développement des ordinateurs quantiques et d’autres technologies fondées sur les phénomènes quantiques.