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La physique quantique, contrairement à la physique classique, explique qu'il est impossible de connaître simultanément certaines propriétés d'une particule (par exemple sa position et sa quantité de mouvement selon un axe donné). Tout ce qu'on peut déterminer, ce sont les probabilités statistiques de mesurer chaque propriété.

L'un des principes les plus importants de cette physique est celui de superposition : il stipule qu'un même état quantique peut possèder plusieurs valeurs. Les particules peuvent ainsi exister dans plusieurs états superposés et simultanés ; par exemple un électron peut se trouver dans deux endroits à la fois.

L'intrication (ou enchevêtrement quantique) d'états est un phénomène dans lequel l'état quantique de deux objets doit être décrit globalement, sans pouvoir séparer l'un de l'autre bien qu'ils puissent être spatialement distincts. Lorsque deux systèmes (ou plus) sont dans un état intriqué, des corrélations se forment entre leurs propriétés physiques ou avec leur environnement.

La cohérence quantique désigne un phénomène dans lequel des particules restent intriquées dans une certaine superposition d'états. Cette cohérence peut être facilement rompue par l'intervention d'un phénomène perturbateur comme une mesure ou un effet de l'environnement. Dès qu'il intéragit avec un autre système, un système quantique pert sa cohérence, qui est donc très difficile à observer et à maintenir. Dans les systèmes artificiels (par exemple en laboratoire), la superposition et l'intrication quantiques ne sont généralement pas durables sauf à des températures cryogéniques (inférieures à -150°c).

De la physique quantique chez les oiseaux ?

Certains oiseaux migrateurs ont la capacité de détecter les variations très subtiles du champ magnétique terrestre. Cinq chercheurs (Erik M. Gauger, Elisabeth Rieper, John J. L. Morton, Simon C. Benjamin et Vlatko Vedral) des universités d'Oxford (Grande-Bretagne) et de Singapour ont étudié les résultats d'une étude sur la magnétoréception menée sur des Rougegorges familiers (Erithacus rubecula) migrateurs et ils ont émis l'hypothèse que le phénomène de la cohérence quantique serait impliqué dans le fonctionnement du compas magnétique des oiseaux.

L'effet d'un léger bruit magnétique

Cette étude avait montré que le compas magnétique des rougegorges pouvait être "déréglé" par des niveaux de bruit (nuisance) magnétique extrêmement faibles. Ces bruits (de petits champs magnétiques oscillants) perturbaient profondément le fonctionnement du compas. Son fonctionnement retournait à la normale dès que la nuisance avait cessé. L'équipe a pensé que seul un système d'orientation fonctionnant au niveau quantique pouvait être sensible à une de si faibles nuisances magnétiques.

Plus fort qu'en laboratoire !

Simon Benjamin, l'un des auteurs de l'article, explique : "les états quantiques cohérents décroissent très rapidement et il est très difficile de les conserver stables longtemps. Or les structures moléculaires du compas magnétique de l'oiseau peuvent à priori maintenir leur cohérence pendant au moins 100 microsecondes, et probablement même beaucoup plus. Bien que ce chiffre puisse nous sembler très court, il faut savoir que les meilleurs résultats obtenus grâce sur des molécules artificielles dans des conditions optimales de laboratoire ne dépassent pas 80 microsecondes à température ambiante".

La cohérence quantique s'observe aussi chez certains végétaux

D'autres études avaient déjà montré que les principes de la physique quantique pouvaient s'appliquer chez d'autres organismes vivants, les végétaux.

En 2007, une équipe composée de chercheurs du Berkeley Lab et de l'UC Berkeley (Etats-Unis) avait découvert que la mécanique quantique expliquait la capacité de la photosynthèse à convertir la quasi-totalité des photons absorbés par les feuilles.
La physique quantique s'applique plus précisément au niveau du photosystème, c'est-à-dire le complexe formé par des protéines et des pigments (dont la chlorophylle) qui se trouve dans les membranes des cyanobactéries et des chloroplastes des cellules végétales.
La photosynthèse est le processus qui permet aux plantes et à certaines bactéries de synthétiser de la matière organique en exploitant la lumière du soleil. La chlorophylle, un pigment situé dans les chloroplastes des cellules végétales, intervient pour intercepter l'énergie lumineuse, première étape dans sa conversion en énergie chimique. Et ce transfert est extrêmement rapide et efficace (moins de 5 % sont perdus sous forme de chaleur).

Graham Fleming, du Berkeley Lab, ainsi qu'uun professeur de chimie de l'UC Berkeley ont apporté la preuve directe de l'existence au niveau complexe proteine-pigments de la bactérie Rhodobacter sphaeroides d'une cohérence ondulatoire quantique électronique "remarquablement longue" qui permet d'échantillonner simultanément toutes les voies possibles de transfert d'énergie entre les deux pigments (la bateriochlorophylle et la bacteriopheophytin) qui captent les photons et la protéine où a lieu la conversion énergétique, et de choisir la plus efficace et la plus rapide.

Des applications technologiques possibles ?

Outre le fait de suggérer une influence possible des perturbations électro-magnétiques sur la migration des oiseaux, cette étude pourrait également inspirer le domaine des nanotechnologies, voire même ouvrir de nouvelles pistes de réflexion sur des technologies de stockage quantique d'information.

En effet, la cohérence quantique peut jouer un rôle dans des applications techniques aussi concrètes que le transport de l'électricité dans un câble métallique.

Un métal peut être considéré comme une matrice d'ions chargés à travers laquelle les électrons circulent librement. Lorsqu'un champ électrique est appliqué, ces électrons sont accélérés, formant le courant électrique.

Mais quelles sont les limites de l'intensité de ce courant ? En effet, l'accélération des électrons n'entraîne pas à une augmentation infinie de leur vitesse et donc du courant du fait de leurs collisions avec des impuretés ou entre eux. Les collisions entre électrons dominent à température ambiante, tandis que celles avec les impuretés et les défauts du treillis l'emportent à basse température. Si pendant une fraction de temps les ions de la matrice sont remplacés par des ions magnétiques, la résistance électrique augmente. Jun Kondo a découvert l'origine de ce phénomène qui porte désormais son nom, "l'effet Kondo" : les électrons transportent non seulement une charge électrique, mais aussi un moment magnétique (une grandeur vectorielle mesurant l'intensité de la source magnétique).

L'interaction de ce moment magnétique avec des impuretés magnétiques génère des collisions d'un nouveau type, qui sont de plus en plus efficaces à mesure que la température diminue.

En dessous de la température TK ("KondoTemperature"), l'état quantique des électrons est très affecté par les collisions avec les impuretés magnétiques. Quand la température baisse, les électrons forment un nuage autour des impuretés magnétiques. Le moment magnétique d'un grand nombre d'électrons compense alors exactement le moment magnétique de l'impureté. Ces impuretés sont "filtrées" et semblent avoir disparu ! Cette situation perdure tant que la cohérence quantique est maintenue.

La compréhension du phénomène de la cohérence quantique peut donc être utile dans une application aussi essentielle que le transport de l'électricité.

Sources

- Erik M. Gauger, Elisabeth Rieper, John J. L. Morton, Simon C. Benjamin et Vlatko Vedral (2010). Sustained quantum coherence and entanglement in the avian compass. Physical Review Letters. Date de mise en ligne : 29/12. http://prl.aps.org/accepted/L/90079Ya1Ff316529366b47a0c9e2917fa594941b5
- Pete Wilton (2011). Quantum robins lead the way. Univesity of Oxford. http://www.ox.ac.uk/media/science_blog/110121.html
- "Tanka" (2011). Les oiseaux utilisent la cohérence quantique ! Date de mise en ligne : 24/01. I-services.net. http://www.i-services.net/newsbox/151229-97380-1643-56689/les-oiseaux-utilisent-la-coherence-quantique.php
- L. Saminadayar et C. Bauerle (2006). Quantum coherence and Kondo effect. NEEL Institut. http://neel.cnrs.fr/spip.php?article1076
- CEA. Quelques repères de physique quantique. www.cea.fr/content/download/4697/27969/file/tableau-B.pdf
- Simon Diner. Lexique de philosophie naturelle. http://www.peiresc.org/DINER/Lexique.pdf
- Wikipedia (2011). Principe de superposition quantique. http://fr.wikipedia.org/wiki/Principe_de_superposition_quantique
- Lynn Yarris (2007). New quantum secrets of Photosynthesis. Date de mise en ligne : 06/08. http://newscenter.lbl.gov/feature-stories/2007/08/06/new-quantum-secrets-of-photosynthesis/

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