Nobel Prize in physics goes to 3 scientists whose work advanced quantum technology
Le prix Nobel de physique est décerné à trois scientifiques dont les travaux ont fait progresser la technologie quantique.
Par KOSTYA MANENKOV et MIKE CORDER
Édité par Andrew Zinin
Notes de la rédaction
De gauche à droite, Olle Eriksson, président du Comité Nobel de physique, Hans Ellegren, secrétaire général de l'Académie suédoise des sciences, et Goran Johansson, membre du Comité Nobel de physique, annoncent la remise du prix Nobel de physique à John Clarke, Michel H. Devoret et John M. Martinis (à l'écran en arrière-plan), lors de l'Assemblée Nobel de l'Institut Karolinska, à Stockholm, en Suède, le mardi 7 octobre 2025. Crédit : Christine Olsson/TT News Agency via AP
Trois scientifiques ont reçu le prix Nobel de physique mardi pour leurs recherches sur l'étrange comportement des particules subatomiques, appelé effet tunnel quantique. Ce phénomène a permis d'obtenir des mesures ultra-sensibles par IRM et a jeté les bases de téléphones portables plus performants et d'ordinateurs plus rapides.
Les travaux de John Clarke, Michel H. Devoret et John M. Martinis, qui travaillent dans des universités américaines, ont exploité les contradictions apparentes du monde subatomique – où la lumière peut être à la fois une onde et une particule, et où des fragments d'atomes peuvent franchir des barrières apparemment impénétrables – et les ont appliquées à la physique plus traditionnelle des appareils numériques. Les résultats de leurs découvertes commencent tout juste à apparaître dans les technologies de pointe et pourraient ouvrir la voie au développement de l'informatique surpuissante.
Les recherches primées du milieu des années 1980 ont exploité les « étrangetés de la mécanique quantique » subatomique et ont permis de découvrir comment ces interactions infimes peuvent avoir des applications concrètes, a déclaré Jonathan Bagger, PDG de l'American Physical Society. Ces expériences ont joué un rôle crucial dans le développement rapide de la mécanique quantique.
S'exprimant depuis son téléphone portable, Clarke, qui dirigeait l'équipe de recherche, a déclaré : « L'une des raisons fondamentales pour lesquelles les téléphones portables fonctionnent est grâce à tous ces travaux. »
Lorsque la mécanique quantique a été découverte en 1926, un éminent physicien a cherché à illustrer ses nombreux paradoxes par l'exemple d'un chat dans une boîte, à la fois vivant et mort. Les trois lauréats du prix Nobel ont démontré que la science pouvait mettre en pratique ces principes, a déclaré Richard Fitzgerald, rédacteur en chef de Physics Today, qui faisait partie d'un groupe de recherche concurrent dans les années 1990.
« Ils ne sont pas allés aussi loin, mais ils ont montré que c'était possible », a déclaré Fitzgerald.
Des photos de John Clarke, Michel H. Devoret et John M. Martinis apparaissent sur un écran après l'annonce de leur prix Nobel de physique, lors de l'Assemblée Nobel de l'Institut Karolinska, à Stockholm, en Suède, le mardi 7 octobre 2025. Crédit : Christine Olsson/TT News Agency via AP
Les physiciens lauréats ont « pris l'échelle de quelque chose que nous ne pouvons ni voir, ni toucher, ni sentir » pour l'élever à « l'échelle de quelque chose de reconnaissable » et en faire « un élément sur lequel on peut construire », a déclaré Fitzgerald.
Clarke, 83 ans, a mené ses recherches à l'Université de Californie à Berkeley. Martinis, 67 ans, a travaillé à l'Université de Californie à Santa Barbara. Devoret, 72 ans, est à Yale et à l'Université de Californie à Santa Barbara.
Réaction des lauréats
L'épouse de Martinis, Jean, a déclaré aux journalistes de l'Associated Press, qui l'ont appelé à son domicile quelques heures après l'annonce, qu'il dormait encore et n'était pas encore au courant. Auparavant, a-t-elle expliqué, ils étaient restés éveillés la nuit de la remise du prix de physique, mais à un moment donné, ils ont décidé que le sommeil était plus important.
Lorsque sa femme l'a réveillé et lui a annoncé que les journalistes cherchaient une interview, le nouveau lauréat du prix Nobel s'est souvenu que les prix étaient annoncés cette semaine. Il a ouvert son ordinateur, a regardé l'annonce et a vu sa photo aux côtés des autres lauréats.
« J'étais sous le choc », a-t-il déclaré.
Clarke a confié qu'il n'avait jamais imaginé qu'il remporterait un prix Nobel.
« Je me suis pratiquement effondré », a-t-il confié à l'AP. « J'étais complètement abasourdi. Je veux dire, c'est quelque chose dont je n'avais jamais rêvé de toute ma vie. »
Pourquoi ce travail est important
Martinis, ancien scientifique senior chez Google travaillant sur l'informatique quantique avant de cofonder sa propre entreprise, Qolab, a déclaré que le grand objectif futur était l'informatique quantique, qui représenterait un bond de géant en termes de vitesse et de sophistication en s'appuyant sur la puissance des états contradictoires de ce monde subatomique.
Göran Johansson, membre du Comité Nobel de physique, explique le prix Nobel de physique de cette année, décerné à John Clarke, Michel H. Devoret et John M. Martinis, lors de l'Assemblée Nobel du Karolinska Institutet, à Stockholm, en Suède, le mardi 7 octobre 2025. Crédit : Christine Olsson/TT News Agency via AP
Cela n'arrivera pas avant huit à dix ans. Mais il a déclaré que les expériences de l'équipe montraient qu'« un ordinateur pourrait être bien plus puissant ».
Devoret est désormais responsable scientifique des projets d'informatique quantique de Google.
Les ordinateurs quantiques sont « une sorte d'utilisation très évidente », mais la recherche pourrait également aider à développer des capteurs qui détectent et mesurent les phénomènes faibles, tels que les champs magnétiques, et faire progresser la cryptographie pour coder les informations, a déclaré Mark
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Et grâce à une meilleure compréhension de la chimie de précision, cela pourrait permettre de développer de meilleurs matériaux pour la vie quotidienne et même de donner un nouvel élan à l'intelligence artificielle, a déclaré Martinis.
Avant les travaux de Berkeley, les scientifiques savaient que des électrons isolés ou des paires de minuscules électrons pouvaient traverser une barrière infranchissable par effet tunnel. Clarke explique que son équipe a appris que « si l'on conçoit correctement les circuits, on pourrait effectivement obtenir un effet tunnel » d'objets plus grands et plus utiles que quelques électrons.
Cette découverte « peut servir à fabriquer des objets très sophistiqués qui seraient autrement impossibles à réaliser », a déclaré Clarke lors d'une conférence de presse, mentionnant son iPhone et ses ordinateurs quantiques.
Il a également critiqué l'administration Trump pour ses coupes sombres dans le financement de la science, affirmant que cela « paralyserait la science ».
« Si cela continue… il faudra peut-être une décennie pour revenir au niveau où nous en étions il y a six mois », a déclaré Clarke.
John Martinis se tient dans son salon après avoir reçu le prix Nobel de physique pour ses travaux sur l'effet tunnel quantique, le mardi 7 octobre 2025 à Santa Barbara, en Californie. Crédit : AP Photo/Mark J. Terrill
Martinis, Bagger et Fitzgerald ont déclaré qu'il était un peu exagéré d'affirmer que les téléphones portables utilisent désormais la percée de Clarke et de ses collègues. Mais des appareils de mesure ultra-sensibles, notamment les appareils d'IRM, dépendent des travaux de l'équipe, qui seraient bien moins utiles sans leurs avancées, a déclaré Bagger.
« La mécanique quantique est omniprésente dans tout ce que nous faisons, du téléphone portable aux communications par satellite qui y sont connectées, en passant par les écrans sur lesquels nous regardons nos vidéos », a déclaré Bagger.
Histoire du Nobel et autres prix 2025
La remise du prix mardi marquait la 119e fois. L'année dernière, les pionniers de l'intelligence artificielle John Hopfield et Geoffrey Hinton ont remporté le prix Nobel de physique pour avoir contribué à la création des éléments constitutifs de l'apprentissage automatique.
Lundi, Mary E. Brunkow, Fred Ramsdell et le Dr Shimon Sakaguchi ont reçu le prix Nobel de médecine pour leurs découvertes sur la façon dont le système immunitaire s'attaque aux germes et non à notre corps.
Les annonces de prix Nobel se poursuivent avec le prix de chimie mercredi et celui de littérature jeudi. Le prix Nobel de la paix sera annoncé vendredi, suivi du prix Nobel d'économie lundi.
La cérémonie de remise des prix aura lieu le 10 décembre, jour anniversaire de la mort d'Alfred Nobel, riche industriel suédois et inventeur de la dynamite, fondateur de ces prix en 1896.
Ces prix sont dotés d'un prestige inestimable et d'une récompense de 11 millions de couronnes suédoises (près de 1,2 million de dollars).
Annonce du comité Nobel :
L’Académie royale des sciences de Suède a décidé d’attribuer le prix Nobel de physique 2025 à :
John Clarke, Université de Californie à Berkeley, États-Unis
Michel H. Devoret, Université Yale à New Haven, Connecticut et Université de Californie à Santa Barbara, États-Unis
John M. Martinis, Université de Californie à Santa Barbara, États-Unis
« Pour la découverte de l’effet tunnel quantique macroscopique et de la quantification de l’énergie dans un circuit électrique ».
Leurs expériences sur une puce ont révélé la physique quantique.
Une question majeure en physique concerne la taille maximale d'un système capable de démontrer des effets de mécanique quantique. Les lauréats du prix Nobel de cette année ont mené des expériences avec un circuit électrique, démontrant à la fois l'effet tunnel quantique et des niveaux d'énergie quantifiés dans un système suffisamment grand pour tenir dans la main.
La mécanique quantique permet à une particule de traverser une barrière directement grâce à un processus appelé effet tunnel. Dès qu'un grand nombre de particules est impliqué, les effets de la mécanique quantique deviennent généralement négligeables. Les expériences des lauréats ont démontré que les propriétés de la mécanique quantique peuvent être concrétisées à l'échelle macroscopique.
En 1984 et 1985, John Clarke, Michel H. Devoret et John M. Martinis ont mené une série d'expériences avec un circuit électronique constitué de supraconducteurs, des composants capables de conduire un courant sans résistance électrique. Dans ce circuit, les composants supraconducteurs étaient séparés par une fine couche de matériau non conducteur, une configuration connue sous le nom de jonction Josephson. En affinant et en mesurant les différentes propriétés de leur circuit, ils ont pu contrôler et explorer les phénomènes qui se produisaient lorsqu'ils le traversaient avec un courant. Ensemble, les particules chargées se déplaçant dans le supraconducteur formaient un système se comportant comme une seule particule remplissant tout le circuit.
Ce système macroscopique, semblable à une particule, est initialement dans un état où le courant circule sans tension. Le système est piégé dans cet état, comme derrière une barrière infranchissable. Dans l'expérience, le système révèle son caractère quantique en parvenant à s'échapper de l'état de tension nulle par effet tunnel. Le changement d'état du système est détecté par l'apparition d'une tension.
Les lauréats ont également pu démontrer que le système se comporte conformément aux prédictions de la mécanique quantique : il est quantifié, ce qui signifie qu'il n'absorbe ou n'émet que des quantités spécifiques d'énergie.
« C'est formidable de pouvoir célébrer la façon dont la mécanique quantique, vieille de plusieurs siècles, nous réserve sans cesse de nouvelles surprises. C'est aussi extrêmement utile, car la mécanique quantique est le fondement de toute technologie numérique », déclare Olle Eriksson, président du Comité Nobel de physique.
Les transistors des puces électroniques sont un exemple de la technologie quantique établie qui nous entoure. Le prix Nobel de physique de cette année a ouvert la voie au développement de la prochaine génération de technologies quantiques, notamment la cryptographie quantique, les ordinateurs quantiques et les capteurs quantiques.
Crédit : Comité Nobel
Propriétés quantiques à échelle humaine
Les lauréats du prix Nobel de physique 2025, John Clarke, Michel H. Devoret et John M. Martinis, ont utilisé une série d'expériences pour démontrer que les propriétés étranges du monde quantique peuvent être concrétisées dans un système suffisamment grand pour tenir dans la main. Leur système électrique supraconducteur pourrait passer d'un état à un autre par effet tunnel, comme s'il traversait un mur. Ils ont également montré que le système absorbait et émettait de l'énergie à des doses spécifiques, conformément aux prédictions de la mécanique quantique.
Une série d'expériences révolutionnaires
La mécanique quantique décrit des propriétés significatives à une échelle impliquant des particules individuelles. En physique quantique, ces phénomènes sont dits microscopiques, même lorsqu'ils sont bien plus petits que ceux observés au microscope optique. Cela contraste avec les phénomènes macroscopiques, qui se composent d'un grand nombre de particules. Par exemple, une balle ordinaire est constituée d'une quantité astronomique de molécules et ne présente aucun effet de mécanique quantique. Nous savons que la balle rebondit chaque fois qu'elle est lancée contre un mur. Cependant, une particule unique, dans son monde microscopique, traverse parfois une barrière équivalente et apparaît de l'autre côté. Ce phénomène de mécanique quantique est appelé effet tunnel.
Le prix Nobel de physique de cette année récompense des expériences qui ont démontré comment l'effet tunnel quantique peut être observé à l'échelle macroscopique, impliquant de nombreuses particules. En 1984 et 1985, John Clarke, Michel Devoret et John Martinis ont mené une série d'expériences à l'Université de Californie à Berkeley. Ils ont construit un circuit électrique avec deux supraconducteurs, des composants capables de conduire un courant sans résistance électrique. Ils les ont séparés par une fine couche de matériau totalement inerte. Cette expérience leur a permis de démontrer qu'ils pouvaient contrôler et étudier un phénomène où toutes les particules chargées du supraconducteur se comportent à l'unisson, comme si elles formaient une seule particule remplissant tout le circuit.
Ce système particulaire est piégé dans un état où le courant circule sans tension, état dont il ne dispose pas de suffisamment d'énergie pour s'échapper. Cette expérience a permis au système de démontrer son caractère quantique en utilisant l'effet tunnel pour s'échapper de l'état de tension nulle, générant ainsi une tension électrique. Les lauréats ont également démontré que le système est quantique.
L'effet tunnel est un processus de la mécanique quantique, impliquant un rôle du hasard. Certains types de noyaux atomiques possèdent une barrière haute et large, ce qui peut nécessiter beaucoup de temps pour qu'un fragment du noyau apparaisse à l'extérieur, tandis que d'autres types se désintègrent plus facilement. Si l'on observe un seul atome, il est impossible de prédire le moment où cela se produira, mais en observant la désintégration d'un grand nombre de noyaux du même type, on peut mesurer le temps attendu avant que l'effet tunnel ne se produise. La manière la plus courante de décrire ce phénomène est le concept de demi-vie, qui correspond au temps nécessaire à la désintégration de la moitié des noyaux d'un échantillon.
Les physiciens se sont rapidement demandé s'il serait possible d'étudier un type d'effet tunnel impliquant plusieurs particules à la fois. Une approche pour de nouveaux types d'expériences trouve son origine dans un phénomène qui se produit lorsque certains matériaux deviennent extrêmement froids.
Dans un matériau conducteur ordinaire, le courant circule car des électrons sont libres de le traverser. Dans certains matériaux, les électrons individuels qui se frayent un chemin à travers le conducteur peuvent s'organiser, formant une danse synchronisée qui s'écoule sans résistance. Le matériau devient alors supraconducteur et les électrons sont liés par paires. On les appelle paires de Cooper, d'après Leon Cooper qui, avec John Bardeen et Robert Schrieffer, a fourni une description détaillée du fonctionnement des supraconducteurs (prix Nobel de physique 1972).
Les paires de Cooper se comportent complètement différemment des électrons ordinaires. Les électrons sont très intègres et préfèrent rester à distance les uns des autres ; deux électrons ne peuvent pas être au même endroit s'ils ont les mêmes propriétés. On peut observer ce phénomène dans un atome, par exemple, où les électrons se divisent en différents niveaux d'énergie, appelés couches. Cependant, lorsque les électrons d'un supraconducteur se rejoignent par paires, ils perdent une partie de leur individualité ; alors que deux électrons séparés sont toujours distincts, deux paires de Cooper peuvent être parfaitement identiques. Cela signifie que les paires de Cooper d'un supraconducteur peuvent être décrites comme une seule unité, un système quantique. En mécanique quantique, on les décrit alors comme une fonction d'onde unique. Cette fonction décrit la probabilité d'observer le système dans un état donné et avec des propriétés données.
Lorsque deux supraconducteurs sont reliés par une fine barrière isolante, une jonction Josephson est créée. Ce composant doit son nom à Brian Josephson, qui a effectué des calculs de mécanique quantique pour cette jonction. Il a découvert que des phénomènes intéressants se produisent lorsque les fonctions d'onde de chaque côté de la jonction sont prises en compte (prix Nobel de physique 1973). La jonction Josephson a rapidement trouvé des applications, notamment pour la mesure précise des constantes physiques fondamentales et des champs magnétiques.
Cette construction a également fourni des outils pour explorer les fondamentaux de la physique quantique sous un angle nouveau. Anthony Leggett (prix Nobel de physique 2003) y a contribué, notamment grâce à ses travaux théoriques sur l'effet tunnel quantique macroscopique à une jonction Josephson, qui ont inspiré de nouveaux types d'expériences.
Ces sujets correspondaient parfaitement aux intérêts de recherche de John Clarke. Professeur à l'Université de Californie à Berkeley, aux États-Unis, il y avait déménagé après avoir obtenu son doctorat à l'Université de Cambridge, au Royaume-Uni, en 1968. À l'Université de Californie à Berkeley, il a développé son groupe de recherche et s'est spécialisé dans l'exploration de divers phénomènes utilisant les supraconducteurs et la jonction Josephson.
Au milieu des années 1980, Michel Devoret a rejoint le groupe de recherche de John Clarke en tant que postdoctorant, après avoir obtenu son doctorat à Paris. Ce groupe comprenait également le doctorant John Martinis. Ensemble, ils ont relevé le défi de démontrer l'effet tunnel quantique macroscopique. Un soin et une précision considérables ont été nécessaires pour protéger le dispositif expérimental de toutes les interférences susceptibles de l'affecter. Ils ont réussi à affiner et à mesurer toutes les propriétés de leur circuit électrique, ce qui leur a permis de le comprendre en détail.
Pour mesurer les phénomènes quantiques, ils ont injecté un faible courant dans la jonction Josephson et mesuré la tension, liée à la résistance électrique du circuit. La tension aux bornes de la jonction Josephson était initialement nulle, comme prévu. Cela s'explique par le fait que la fonction d'onde du système est enfermée dans un état qui ne permet pas l'apparition d'une tension. Ils ont ensuite étudié le temps nécessaire au système pour sortir de cet état par effet tunnel, provoquant une tension. La mécanique quantique comportant une part de hasard, ils ont effectué de nombreuses mesures et représenté leurs résultats sous forme de graphiques, permettant ainsi de lire la durée de l'état de tension nulle. Ce principe est similaire à celui des mesures de la demi-vie des noyaux atomiques, basées sur des statistiques de nombreuses désintégrations.
L'effet tunnel démontre comment les paires de Cooper du dispositif expérimental, dans leur danse synchronisée, se comportent comme une seule particule géante. Les chercheurs ont obtenu une confirmation supplémentaire en constatant que le système possédait des niveaux d'énergie quantifiés. La mécanique quantique doit son nom à l'observation selon laquelle l'énergie dans les processus microscopiques est divisée en quanta. Les lauréats ont introduit des micro-ondes de différentes longueurs d'onde dans l'état de tension nulle. Certaines d'entre elles ont été absorbées, et le système est alors passé à un niveau d'énergie plus élevé. Cela a montré que l'état de tension nulle avait une durée plus courte lorsque le système contenait plus d'énergie, ce qui correspond exactement aux prédictions de la mécanique quantique. Une particule microscopique enfermée derrière une barrière fonctionne de la même manière.
Avantages pratiques et théoriques
Cette expérience a des conséquences sur la compréhension de la mécanique quantique. D'autres types d'effets de la mécanique quantique démontrés à l'échelle macroscopique sont composés de nombreux éléments individuels minuscules et de leurs propriétés quantiques distinctes. Les composants microscopiques sont ensuite combinés pour produire des phénomènes macroscopiques tels que les lasers, les supraconducteurs et les liquides suprafluides. Cependant, cette expérience a plutôt créé un effet macroscopique – une tension mesurable – à partir d'un état lui-même macroscopique, sous la forme d'une fonction d'onde commune à un grand nombre de particules.
Des théoriciens comme Anthony Leggett ont comparé le système quantique macroscopique des lauréats à la célèbre expérience de pensée d'Erwin Schrödinger mettant en scène un chat dans une boîte, où le chat serait à la fois vivant et mort si nous ne regardions pas à l'intérieur. (Erwin Schrödinger a reçu le prix Nobel de physique en 1933.) L'objectif de son expérience de pensée était de démontrer l'absurdité de cette situation, car les propriétés spécifiques de la mécanique quantique sont souvent effacées à l'échelle macroscopique. Les propriétés quantiques d'un chat entier ne peuvent être démontrées en laboratoire.
Cependant, Legget a soutenu que la série d'expériences menées par John Clarke, Michel Devoret et John Martinis a montré l'existence de phénomènes impliquant un grand nombre de particules qui, ensemble, se comportent exactement comme le prédit la mécanique quantique. Le système macroscopique, composé de nombreuses paires de Cooper, est encore bien plus petit qu'un chaton, de plusieurs ordres de grandeur. Cependant, comme l'expérience mesure les propriétés de la mécanique quantique qui s'appliquent au système dans son ensemble, pour un physicien quantique, il est assez similaire au chat imaginaire de Schrödinger.
Ce type d'état quantique macroscopique offre de nouvelles possibilités expérimentales utilisant les phénomènes qui régissent le monde microscopique des particules. On peut le considérer comme une forme d'atome artificiel à grande échelle : un atome doté de câbles et de prises pouvant être connecté à de nouveaux dispositifs de test ou utilisé dans de nouvelles technologies quantiques. Par exemple, les atomes artificiels servent à simuler d'autres systèmes quantiques et à faciliter leur compréhension.
Un autre exemple est l'expérience d'ordinateur quantique réalisée ultérieurement par Martinis, dans laquelle il a utilisé exactement la quantification d'énergie que lui et les deux autres lauréats avaient démontrée. Il a utilisé un circuit avec des états quantifiés comme unités porteuses d'information : un bit quantique. L'état d'énergie le plus bas et le premier étage supérieur fonctionnaient respectivement comme zéro et un.
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RESUME
Le prix Nobel de physique est décerné à trois scientifiques dont les travaux ont fait progresser la technologie quantique.
Trois scientifiques ont reçu le prix Nobel de physique mardi pour leurs recherches sur l'étrange comportement des particules subatomiques, appelé effet tunnel quantique. Ce phénomène a permis les mesures ultra-sensibles réalisées par les IRM et a ouvert la voie à des téléphones portables plus performants et à des ordinateurs plus rapides.
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