On vous explique (simplement) la physique quantique, et pourquoi vous n’y comprenez rien (ce qui est normal)

Qui n’a jamais eu un mouvement de recul en entendant les mots « physique quantique » ? Discipline obscure qui intimide autant qu’elle fascine, elle est jugée incompréhensible par le commun des mortels. Mais en cette année internationale de la science et de la technologie quantiques, et alors que le prix Nobel de physique 2025 a récemment récompensé les travaux de trois chercheurs en mécanique quantique, on a décidé de ne pas fuir et de s’intéresser à cette discipline qui a révolutionné notre compréhension du monde. Pourquoi est-elle si difficile à appréhender ? A quoi sert-elle vraiment ? Ne paniquez pas, on vous dit tout !

« C’est vrai que la première réaction de beaucoup de gens, quand on veut parler de physique quantique, est de dire "on laisse tomber, c’est beaucoup trop compliqué" », concède Céline Broeckaert, coautrice de Pourquoi personne ne comprend rien à la physique quantique (éd. Quanto, à paraître le 30 octobre). Si « on ne peut pas la comprendre ou l’expliquer sans faire appel aux mathématiques et aux formules très compliquées, les gens peuvent quand même comprendre les idées et les concepts qui sont derrière tout ça », promet-elle.

La physique de l’infiniment petit

Et la base est simple (si, si) : la physique quantique, ce sont les règles qui s’appliquent « aux particules les plus petites qui existent ». Elle a été théorisée en 1900 par le physicien allemand Max Planck pour faire face à un problème constaté par les chercheurs : « les lois de la physique connues à l’époque – sur le mouvement des corps et la gravitation, l’électromagnétique, la thermodynamique – ne fonctionnaient plus quand on observait la matière à ce niveau infiniment petit », explique Ivan Kiriow, auteur et vulgarisateur scientifique.

« En présumant que l’énergie est faite de particules, d’un coup, Max Planck pouvait expliquer plein de choses inexplicables jusque-là », développe Céline Broeckaert. Ce principe, bien qu’étant « en désaccord avec la physique de Newton, qui disait que l’énergie ne pouvait pas être constituée de particules », a d’abord été une simple astuce mathématique et de calcul, avant d’être confirmé plus tard par Einstein.

Cette nouvelle approche a notamment permis d’expliquer la matière, qu’on ne comprenait pas avant la physique quantique. « Pourquoi la matière est dure quand on pousse avec notre doigt sur une table ? Pourquoi notre doigt ne fond pas dans la table ? Ce sont des effets purement quantiques, liés à la plus petite échelle », explique Frank Verstraete, chercheur en mécanique quantique à l’université de Cambridge, également coauteur de Pourquoi personne ne comprend rien à la physique quantique.

Des lois contre-intuitives aux airs de magie

Si cette physique est aussi complexe à saisir, c’est parce que les lois qui la régissent sont complètement contre-intuitives. Exemple avec une première bizarrerie quantique : une particule peut être à deux endroits à la fois. « Il faut arrêter de penser de manière logique parce que beaucoup de choses ne le sont pas, il faut juste accepter que c’est comme ça », pose Céline Broeckaert. La physique quantique présente un autre « problème » : « Il est très difficile de se représenter ce qu’elle décrit et de faire le lien entre cette théorie et le réel », précise Ivan Kiriow.

Ces difficultés rendent donc cette discipline très étrange pour les non-scientifiques… mais pas que : « les physiciens, même les spécialistes de mécanique quantique, avouent volontiers un certain niveau d’incompréhension », indique le vulgarisateur. « Si vous croyez comprendre la mécanique quantique, c’est que vous ne la comprenez pas », avait d’ailleurs déclaré le physicien américain Richard Feynman, prix Nobel de physique en 1965. « Ce qu’il voulait dire, c’est qu’on peut comprendre la théorie, maîtriser l’aspect mathématique, mais c’est toujours en contradiction avec notre compréhension élémentaire du monde », commente Ivan Kiriow.

Intrication, superposition, dualité

Rajoutons plusieurs phénomènes bizarres de la physique quantique. Le plus spectaculaire a été mis en évidence par l’expérience des deux fentes : en « tirant des petites particules vers une plaque percée de deux fentes, on a constaté qu’une même particule pouvait passer par les deux ouvertures à la fois », développe Céline Broeckaert. C’est ce qui a démontré la dualité onde corpuscule, c’est-à-dire le fait que les particules sont à la fois une particule et une onde.

Une fois que l’on sait ça, « toutes les expériences ou les éléments très drôles de la mécanique quantique sont des manifestations de ce phénomène-là », poursuit Frank Verstraete. C’est le cas d’une autre bizarrerie : l’intrication quantique. « Quand deux particules qui formaient une seule unité à un moment donné sont séparées, elles auront toujours une influence l’une sur l’autre, explique le physicien. Quand on fait des mesures sur une particule, ça a immédiatement un effet sur l’autre, même si l’une est en France et l’autre en Nouvelle-Zélande. »

Une discipline qui explique tout

Aussi complexe soit-elle, la physique quantique est partout autour de nous et « explique tout ce qu’on voit, sent, découvre », s’amuse Frank Verstraete. Les couleurs en sont un bon exemple : « Sans la mécanique quantique, on ne peut pas expliquer comment ça marche », poursuit le scientifique. En bref, « toutes les molécules ont des électrons, et les électrons peuvent avoir des énergies très spécifiques. La lumière, elle, a beaucoup d’énergies différentes, mais seules les énergies compatibles avec celles des électrons de la matière peuvent être absorbées. Les autres sont réfléchies, et c’est ce qui donne les couleurs ».

Cette discipline est aussi à la base de la technologie qu’on utilise tous les jours. La physique quantique explique notamment comment la matière conduit l’électricité et a permis le développement des semi-conducteurs et des transistors. « Dès qu’on a un processeur, c’est un système quantique », appuie Ivan Kiriow. Le laser et toutes ses applications résultent aussi de la physique, poursuit le vulgarisateur scientifique : « C’est une manière d’amplifier et de canaliser les photons de lumière », théorisée et prédite par Einstein dès les années 1920. Elle a ensuite été appliquée techniquement et on la retrouve dans les lecteurs CD, par exemple.

Aujourd’hui, le gros chantier de la physique quantique est l’ordinateur quantique, en plein développement. Si les circuits classiques peuvent être soit ouverts, soit fermés – les fameux 0 et 1 de la programmation –, les processeurs quantiques peuvent se retrouver dans les deux états à la fois, permettant des « puissances de calcul sans commune mesure avec celles des ordinateurs classiques, même les plus puissants », explique Ivan Kiriow. La physique quantique « fait partie de nos vies et en fera de plus en plus partie », prévient le vulgarisateur : « Aussi étrange soit-elle, elle fonctionne et a des applications de plus en plus concrètes ».