Dans la physique classique, les objets suivent des règles assez prévisibles. Si on lance une balle, il est possible de calculer sa trajectoire et de savoir où elle va retomber. Mais à l'échelle quantique, les choses se compliquent.

Une particule peut se comporter comme une onde, passer par plusieurs chemins à la fois ou traverser une barrière qu'elle ne devrait pas pouvoir franchir.

Un pont entre deux mondes

Jusqu'à présent, on pensait que la physique classique ne pouvait pas expliquer ces comportements étranges. Pourtant, l'étude réalisée par l'équipe du MIT, qui a été publiée dans la revue Proceedings of the Royal Society, montre que le « principe de moindre action », peut aider à décrire certains phénomènes quantiques.

Ce principe consiste à dire qu'un objet suit naturellement le chemin qui demande le moins d'« action ». En physique, l'action est une grandeur liée à l'énergie et au mouvement d'un objet. Dans le monde classique, ce principe permet par exemple de décrire le trajet d'une balle ou d'une planète.

Les chercheurs du MIT ont adapté cette idée pour l'appliquer au monde quantique. Leur méthode donne les mêmes résultats que l'équation de Schrödinger, l'une des équations les plus importantes de la mécanique quantique, qui sert à décrire le comportement des particules.

L'étude ne remet donc pas en cause la mécanique quantique. Elle propose plutôt une autre manière de la comprendre, en utilisant des concepts plus familiers issus de la physique classique.

La notion de densité

L'un des exemples étudiés est l'expérience des fentes de Young, qui consiste à envoyer de la lumière vers une plaque percée de deux ouvertures. Si la lumière se comportait seulement comme une particule, on devrait observer deux traces derrière les fentes. Or, le résultat est différent car on voit apparaître des bandes claires et sombres. Cela montre que la lumière se comporte aussi comme une onde. Même lorsqu'un seul photon est envoyé, il semble pouvoir passer par les deux fentes en même temps et interférer avec lui-même.

Ce phénomène est l'un des grands mystères de la physique quantique. Pendant longtemps, les physiciens ont tenté de l'expliquer en stipulant qu'il fallait tenir compte de tous les chemins possibles d'une particule, mais cela revenait à étudier une infinité de trajectoires.

La nouvelle approche simplifie ce problème. En ajoutant une notion de « densité », c'est-à-dire la probabilité qu'une particule suive un chemin donné, les chercheurs retrouvent le résultat prévu par la mécanique quantique. On peut comparer cette densité à un jet d'eau : la plupart des gouttes suivent une direction principale, tandis que d'autres se dispersent autour. Là où la densité est plus forte, la probabilité de trouver une goutte est plus grande.

Mieux comprendre certains systèmes quantiques

Les chercheurs ont aussi appliqué leur méthode à d'autres phénomènes, comme l'effet tunnel. Dans ce cas, une particule peut traverser une barrière d'énergie qui devrait l'arrêter selon la physique classique. Ils ont également étudié certaines questions liées à l'intrication quantique, où deux particules peuvent rester liées même à grande distance.

Cette nouvelle méthode d'explication, fondée sur des concepts classiques, montre que certains phénomènes quantiques peuvent être décrits avec des outils classiques adaptés. De ce fait, elle pourrait aider à mieux comprendre certains systèmes quantiques, notamment dans l'informatique quantique.