Prix Nobel de physique 2025
(nobelprize.org)- John Clarke, Michel H. Devoret et John M. Martinis ont réalisé, dans des systèmes suffisamment grands pour tenir dans la main, des phénomènes quantiques traditionnellement possibles uniquement à l’échelle microscopique
- Grâce à des circuits électriques supraconducteurs, ils ont démontré directement le tunnel quantique macroscopique et la quantification de l’énergie dans des systèmes composés de nombreuses particules
- Dans l’expérience, le système change d’état par effet tunnel et n’absorbe ou n’émet de l’énergie que par quantités déterminées
- Ces travaux apportent une compréhension approfondie des effets quantiques observables à l’échelle macroscopique ainsi que de leur portée théorique et expérimentale
- Cette avancée constitue une démonstration essentielle qui sert de base au développement des technologies quantiques et à la réalisation des ordinateurs quantiques
Des propriétés quantiques observées à l’échelle humaine
Les lauréats du prix Nobel de physique 2025, John Clarke, Michel H. Devoret et John M. Martinis, ont démontré expérimentalement que les étranges phénomènes du monde quantique peuvent aussi apparaître dans des systèmes assez grands pour être tenus dans la main. Les circuits électriques supraconducteurs qu’ils ont conçus présentent des transitions d’état par effet tunnel, comme s’ils traversaient une paroi. De plus, ces circuits n’absorbent et n’émettent que des quantités d’énergie bien déterminées, conformément aux prédictions de la mécanique quantique.
Une série d’expériences révolutionnaires
- La mécanique quantique décrit les phénomènes à l’échelle des particules individuelles, mais ses effets ne se manifestent pas dans les phénomènes macroscopiques du quotidien
- Pourtant, Clarke, Devoret et Martinis ont vérifié expérimentalement, dans des circuits électriques constitués de supraconducteurs, que de nombreuses particules peuvent se déplacer comme une seule particule géante, validant ainsi le tunnel quantique macroscopique
- Contrairement aux exemples classiques d’utilisation du tunnel quantique, comme la désintégration nucléaire, ce phénomène a ici été observé dans un système où des milliards de particules effectuent simultanément un mouvement synchronisé
- Le circuit expérimental comporte deux supraconducteurs séparés par une mince barrière isolante conductrice (jonction Josephson), ce qui permet de décrire le mouvement collectif des paires de Cooper à l’aide d’une seule fonction d’onde
Une mécanique quantique qui franchit tunnels et frontières
- Le tunnel quantique est déjà un effet bien connu pour une particule unique, mais les lauréats ont montré qu’il peut aussi apparaître simultanément dans un grand nombre de particules, à une échelle macroscopique
- Les paires de Cooper sont liées dans un même état quantique, formant une unique particule géante qui peut être décrite par une fonction d’onde collective
- La jonction Josephson est un composant central de l’étude des phénomènes quantiques : grâce à la fine couche isolante entre deux supraconducteurs, elle permet d’explorer l’interaction des fonctions d’onde et les effets quantiques macroscopiques
Le défi expérimental du groupe de recherche
- À Berkeley, John Clarke a dirigé divers travaux de physique sur les supraconducteurs et les jonctions Josephson
- Michel Devoret, alors chercheur postdoctoral, et John Martinis, alors doctorant, ont collaboré avec Clarke. À eux trois, ils ont obtenu des preuves expérimentales du tunnel quantique macroscopique et réalisé des mesures de haute précision
- Dans l’expérience, un faible courant est appliqué à la jonction Josephson : on observe d’abord un état à 0 volt, puis, après un certain temps, un changement quantique est enregistré numériquement lorsque l’effet tunnel fait apparaître une tension
- En répétant la même expérience de nombreuses fois pour accumuler des données statistiques, ils ont analysé la distribution des temps d’attente avant le tunnel, comme on le fait pour mesurer la demi-vie d’une désintégration nucléaire
Quantification de l’énergie et précision expérimentale
- Les résultats ont montré que l’ensemble des paires de Cooper se comporte comme une unique particule géante, avec des changements simultanés d’état énergétique, et ont aussi confirmé la quantification de l’énergie, c’est-à-dire que seules certaines quantités d’énergie peuvent être absorbées ou émises
- Lorsqu’un rayonnement micro-ondes est injecté pour élever le système vers un état d’énergie supérieur, celui-ci présente une réduction du temps d’attente avant le tunnel, en accord avec les prédictions de la mécanique quantique
Portée pratique et théorique
- Les phénomènes quantiques macroscopiques déjà connus (comme les lasers, la supraconductivité ou la superfluidité) résultent de l’addition des propriétés quantiques individuelles de la matière. Mais ici, l’expérience démontre que le grand ensemble lui-même se trouve dans un état quantique
- Cette expérience peut être comparée à l’expérience de pensée du chat de Schrödinger et démontre qu’un ensemble de nombreuses particules obéit réellement aux lois de la mécanique quantique
- Les états quantiques macroscopiques constituent la base de nouvelles plateformes expérimentales comme les atomes artificiels, ainsi que du développement de technologies de pointe telles que les qubits des ordinateurs quantiques
- John Martinis, en particulier, s’est appuyé sur ces résultats expérimentaux pour présenter aussi des expériences d’ordinateur quantique mettant directement en œuvre, dans un circuit, les états 0 et 1 d’un qubit
Conclusion
- Le prix Nobel de physique 2025 est attribué à Clarke, Devoret et Martinis pour la première démonstration expérimentale du tunnel quantique et de la quantification de l’énergie dans des circuits électriques macroscopiques
- Ces travaux ont permis des avancées expérimentales et théoriques en mécanique quantique et ont ouvert la voie à de nouveaux domaines technologiques
Informations complémentaires
- Des documents scientifiques plus détaillés sur le prix Nobel de cette année sont disponibles sur www.kva.se et www.nobelprize.org
- Des informations sur la conférence de presse, les conférences et les expositions sont disponibles sur www.nobelprizemuseum.se
Lauréats du prix Nobel de physique 2025
- John Clarke : né en 1942 à Cambridge, au Royaume-Uni ; doctorat de l’University of Cambridge en 1968 ; actuellement professeur à l’University of California, Berkeley
- Michel H. Devoret : né en 1953 à Paris, en France ; doctorat de Paris-Sud University en 1982 ; actuellement professeur à Yale University / University of California, Santa Barbara
- John M. Martinis : né en 1958 ; doctorat de l’University of California, Berkeley en 1987 ; actuellement professeur à l’University of California, Santa Barbara
« Découverte du tunnel quantique macroscopique et de la quantification de l’énergie dans des circuits électriques »
1 commentaires
Commentaires Hacker News
J’ai appris l’électronique auprès d’un lauréat du prix Nobel
Dans mon parcours en physique et pendant mon doctorat, l’électronique analogique a été le cours le plus difficile, mais aussi le plus gratifiant
Je me souviens avoir lutté toute la nuit au labo pour faire fonctionner des filtres, avoir dormi quelques heures, puis être retourné au labo avant même le lever du soleil
C’était surtout parce que je procrastinais, mais cette époque reste un excellent souvenir
Le concept que je comprenais le moins à l’époque, c’était la source de courant
Les sources de tension m’étaient familières, mais les sources de courant me semblaient presque magiques
J’en avais parlé au professeur Martinis, et il avait l’air de ne pas comprendre pourquoi moi, je ne comprenais pas
La réponse, c’est le feedback (commande en boucle de rétroaction)
Une bonne source de tension a aussi besoin de feedback
Le professeur était tellement habitué au feedback qu’il n’a pas mentionné que c’était le point essentiel, alors que moi je n’avais jamais entendu parler des notions de contrôle
J’ai fini par candidater dans son labo comme étudiant chercheur de premier cycle, mais j’ai été refusé
Personnellement, je pense que c’était parce que je ne comprenais pas bien le concept de source de courant, mais c’était peut-être aussi parce que j’avais postulé trop tard, ou à cause de mon A- (là encore à cause de ma procrastination)
J’ai finalement trouvé un chercheur en biophysique, et c’est ainsi que je suis devenu biophysicien, sur une voie totalement différente
Avec le recul, je pense que j’ai eu de la chance
Je n’aurais jamais imaginé que la biophysique ferait partie de ma vie
Bien sûr, cela aurait aussi pu être passionnant si j’étais parti vers les matériaux quantiques ou le domaine QI/QC
En ce moment, j’étudie avec Mike and Ike (le manuel), et je trouve cela vraiment fascinant
Après mon doctorat, j’ai cofondé une startup dans le contrôle industriel et l’automatisation
Maintenant, je comprends assez bien le feedback, et les sources de courant aussi (ça a pris du temps, mais j’ai fini par apprendre)
(À noter aussi qu’une bonne source de tension ajuste sa résistance, et qu’une bonne source de courant ajuste sa tension. C’est en grande partie parce que j’étais trop habitué aux sources de tension — les batteries — que les sources de courant me paraissaient plus difficiles. En réalité, j’aurais dû avoir un regard plus critique. J’ai aussi appris qu’en pratique, une source de tension idéale (résistance très élevée) est relativement facile à fabriquer, tandis qu’une source de courant idéale (résistance nulle) est vraiment difficile)
La phrase « une bonne source de tension ajuste sa résistance, et une bonne source de courant ajuste sa tension » me semble pouvoir prêter un peu à confusion
Je me demande si cela veut dire qu’une source de tension régule le courant, et qu’une source de courant régule la tension (ce n’est peut-être pas très important, mais la question m’est venue)
Si on fabriquait une source de courant idéale réglée à 50 mA puis qu’on la plantait dans quelqu’un, ce serait probablement assez terrifiant
Le « je comprends bien » était une coquille (dommage qu’on ne puisse pas corriger)
On peut aussi fabriquer une source de courant fixe inefficace sans feedback
Fred Ramsdell a reçu cette année le prix Nobel de physiologie ou médecine 2025
Apparemment, il est actuellement en randonnée totalement « off-grid » et reste donc injoignable
Article lié
Devoret et Martinis font eux aussi réellement entrer l’ingénierie quantique dans une nouvelle phase
Devoret est chez Google Quantum AI, et Martinis chez Qolab
Un de mes amis fait aussi son doctorat avec Devoret, et je connais quelqu’un qui travaille avec Martinis
Avec ce Nobel, ils vont sans doute recevoir tous les deux une avalanche d’invitations à des conférences et des keynotes, donc je me demande si je reverrai le visage de mon directeur de thèse
Les conférences invitées sont en général au choix du lauréat, mais il y a une exception
Selon le règlement du Nobel, les lauréats doivent obligatoirement donner, dans les six mois, une conférence sur un sujet choisi par l’institution qui décerne le prix
La conférence liée au prix Nobel de physique 2024 (sur les origines des réseaux neuronaux) a aussi eu lieu juste avant la cérémonie, et on peut la voir sur la chaîne éducative de la télévision suédoise ainsi que sur YouTube
Lien vers la vidéo liée
Voir Devoret mis en avant sans Schoelkopf me fait un peu étrange
J’ai passé du temps au département de physique de l’UCSB et j’y ai rencontré le professeur Martinis
Parmi les physiciens expérimentaux, Martinis possédait des connaissances en électronique et en instrumentation bien supérieures à celles de la plupart des diplômés classiques en génie électrique
Il partageait sous forme de wiki les circuits qu’il avait développés, la documentation, les fichiers CAD et d’autres ressources, et il avait aussi publié des logiciels open source pour piloter les équipements électroniques
Je suis fier que l’UCSB décroche encore un Nobel
Il faut aussi mentionner que l’essentiel des travaux liés au Nobel reçu par Martinis a été réalisé au NIST (National Institute of Standards and Technology, rattaché au Department of Commerce)
Si vous voulez comprendre pourquoi ces phénomènes quantiques et ces effets quantiques macroscopiques sont importants et passionnants, j’aimerais recommander “Through Two Doors at Once” d’Anil Ananthaswany
C’est impressionnant de voir l’University of California, Berkeley et l’University of Cambridge continuer d’allonger la liste de leurs anciens élèves lauréats du Nobel
Je n’avais jamais entendu parler de Paris-Sud University, mais cela ferait de cet établissement son quatrième lauréat du Nobel
Les établissements d’enseignement et les organismes de recherche sont souvent séparés, et beaucoup de travaux de recherche comme de diplômes résultent de collaborations entre plusieurs universités et instituts
Par exemple, un même laboratoire peut être cogéré par 5 écoles et 3 instituts nationaux de recherche, et un étudiant peut en parallèle recevoir des diplômes au nom d’autres établissements via un programme conjoint entre plusieurs institutions
Vu de l’extérieur, l’ensemble est donc assez difficile à comprendre
J’ai une question un peu littéraire
« Une balle lancée contre un mur rebondit toujours, mais dans le monde microscopique, une particule peut simplement traverser un obstacle et apparaître de l’autre côté. C’est ce qu’on appelle l’effet tunnel. »
Je me demande si cela signifie qu’en réalité la particule ne frappe pas le mur et passe par un minuscule espace, ou s’il se produit quelque chose d’encore plus étrange
Ce n’est pas du tout une question idiote
Classiquement, on peut imaginer qu’une particule contourne un obstacle en se faufilant
Mais en mécanique quantique, l’effet tunnel est un concept totalement différent
Ici, le « mur » désigne non pas un objet matériel au sens ordinaire, mais une barrière d’énergie
Classiquement, si la particule n’a pas l’énergie nécessaire pour franchir cette barrière, elle ne peut absolument pas passer, mais en mécanique quantique, la particule a aussi une nature ondulatoire, et même si l’amplitude de la fonction d’onde décroît en traversant la barrière, elle ne devient pas nulle
Il en résulte qu’il existe aussi, de l’autre côté de la barrière, une probabilité — très faible mais réelle — de présence de la particule, si bien qu’en la mesurant on peut effectivement la trouver de l’autre côté
Ce qui rend remarquables les expériences à l’origine de ce Nobel, c’est qu’on y a mesuré le tunnel non pas d’une particule unique comme un électron, mais d’un grand nombre de particules partageant en même temps une fonction d’onde macroscopique
Elles se trouvaient dans un « état cohérent » où la fonction d’onde franchissait la barrière de manière connectée, si bien qu’une amplitude de probabilité significative subsistait aussi de l’autre côté, rendant l’observation elle-même possible
C’est bien quelque chose d’encore plus étrange
Il suffit d’imaginer une particule unique dans un état de basse énergie A, qui devrait passer par un état intermédiaire de haute énergie B avant d’atteindre un autre état de basse énergie C
Classiquement, sans apport d’énergie externe, elle ne pourrait pas aller de A à C, mais en réalité on observe qu’elle passe à C comme par téléportation, sans énergie supplémentaire
On peut alors se demander si elle est vraiment passée par B (en pratique, on peut comprendre cela comme le fait qu’elle semble ne pas être passée par B)
Une version simplifiée de ce phénomène correspond à l’idée de « barrière de potentiel »
De la même façon qu’une balle ne peut pas franchir une colline (barrière d’énergie) si elle n’a pas assez de vitesse, en mécanique classique une particule doit avoir suffisamment d’énergie pour franchir la barrière
Mais en quantique, même si cette énergie manque, la fonction d’onde décroît de façon exponentielle à l’intérieur de la barrière sans jamais devenir strictement nulle, si bien qu’il subsiste une probabilité de voir la particule apparaître de l’autre côté
En mécanique quantique, une fonction d’onde accompagne la « balle » (ou la particule idéale)
Si l’on calcule cette fonction d’onde, on trouve qu’il subsiste une probabilité non nulle de présence de la particule de l’autre côté du mur
Il existe peut-être une explication plus profonde, mais c’est ainsi que je le comprends
La « particule unique » dont on parle ici n’est pas une particule classique comme une balle ordinaire, mais un « objet quantique » qui se comporte tantôt comme une onde, tantôt comme une particule selon la situation
C’est clairement un concept déroutant
J’ai lu ce matin aussi l’article du New York Times, et il ne m’a pas satisfait
Je suis donc venu sur HN pour chercher de meilleures informations, et j’y ai effectivement trouvé un meilleur article ainsi que de meilleures explications
L’article présenté ici reste au niveau lycée, mais en tant que docteur en physique à la retraite, j’ai pu bien comprendre l’expérience comme la théorie
Chaque année, j’attends avec impatience de voir quelle découverte révolutionnaire sera mise à l’honneur par le prix Nobel de physique
Je suis enthousiaste à l’idée de continuer à apprendre les derniers développements