Et si un objet visible à l’œil nu pouvait exister dans deux états opposés en même temps ? Non, ce n’est pas une expérience de pensée réservée aux manuels de physique. En 2023, à Zurich, l’équipe de Yiwen Chu a placé un cristal de saphir de 16 microgrammes en superposition quantique, ressuscitant le chat de Schrödinger à une échelle encore jamais atteinte.

Un cristal de saphir visible à l’œil nu devient un objet quantique

En 1935, Erwin Schrödinger imaginait un chat enfermé dans une boîte, à la fois vivant et mort tant qu’on n’ouvre pas le couvercle. Cette image, pensée pour pointer l’absurdité apparente de la mécanique quantique, est restée un simple outil pédagogique pendant des décennies. Les physiciens parvenaient bien à créer des superpositions, mais uniquement sur des particules isolées, des photons ou de minuscules molécules.

L’équipe de Yiwen Chu, professeure au Laboratoire de physique du solide de l’ETH Zurich, a changé la donne en 2023 avec une publication dans la revue Science. Son dispositif repose sur un résonateur taillé dans du saphir, un cristal que l’on croise d’ordinaire dans les montres ou les vitres anti-rayures. Sa masse effective atteint 16 microgrammes, soit grossièrement celle d’un grain de sable fin.

Ce chiffre paraît dérisoire, mais il représente un bond spectaculaire par rapport aux expériences précédentes. Selon Science News, cette masse dépasse de plus de 100 000 milliards de fois celle des états de chat obtenus jusque-là avec des molécules. On passe donc d’un objet invisible au microscope le plus puissant à un fragment de matière que l’on pourrait presque tenir entre deux doigts.

Yiwen Chu elle-même a rappelé une anecdote parlante : cette portion de cristal mise en vibration contient environ 100 millions de milliards d’atomes. Si on pouvait l’extraire du bloc de saphir pour la poser sur une table, elle resterait parfaitement visible à l’œil nu. Voilà qui change notre regard sur ce que peut réellement subir une superposition quantique.

Le mécanisme piézoélectrique qui fait vibrer 10 puissance 17 atomes à la fois

Pour comprendre comment on manipule un objet d’une telle taille, il faut s’attarder sur l’architecture du dispositif. Le cœur du système associe un qubit supraconducteur, l’équivalent d’un bit d’ordinateur quantique capable d’exister dans deux états à la fois, à un résonateur en saphir. Entre les deux se glisse une fine couche de matériau piézoélectrique, un matériau qui convertit une tension électrique en vibration mécanique, et inversement.

C’est précisément cette couche qui opère la bascule décisive. Une couche piézoélectrique transmet au saphir la superposition d’un qubit supraconducteur, et ses 100 millions de milliards d’atomes se mettent alors à vibrer dans deux sens opposés à la fois, comme l’a démontré l’étude parue dans Science en 2023. Le qubit joue en quelque sorte le rôle du chef d’orchestre, le cristal devenant l’instrument qui reproduit sa partition quantique.

Dans ce dispositif, les deux états d’oscillation opposés du cristal remplacent les images du chat vivant et du chat mort imaginées par Schrödinger. Le bloc de saphir vibre simultanément vers le haut et vers le bas, un peu comme si une cloche sonnait deux notes contraires en même temps sans que l’on puisse dire laquelle domine tant qu’on ne mesure pas le système.

Fabriquer un tel ensemble exige une précision extrême. Les puces ont été produites dans les salles blanches FIRST de l’ETH Zurich et BRNC d’IBM Zurich, des environnements où la moindre poussière peut ruiner des mois de travail. Cette collaboration entre deux institutions illustre à quel point ce genre d’expérience repose sur un savoir-faire technique autant que sur une idée théorique.

Pourquoi cette prouesse de Zurich bouscule les limites de la physique quantique

Créer un état de chat ne suffit pas à cocher la case du succès. Pour mériter ce nom, la séparation entre les deux états, celui du haut et celui du bas, doit dépasser les fluctuations thermiques ou quantiques qui agitent naturellement la position des atomes. Autrement dit, il faut que les deux états soient suffisamment distincts pour qu’on ne les confonde pas avec un simple bruit de fond.

L’équipe de Zurich a su franchir ce seuil avec un objet massif à l’échelle quantique, ce qui change la portée de l’expérience. Jusqu’ici, on pouvait se dire que les lois quantiques s’estompaient naturellement dès qu’on quittait le monde des atomes isolés. Ce résultat montre qu’un objet composé de dizaines de millions de milliards d’atomes peut encore obéir aux mêmes règles, du moins dans des conditions très contrôlées.

Cette avancée ouvre aussi des perspectives concrètes pour la recherche fondamentale. Une étude de suivi menée par Matteo Fadel, chercheur à l’ETH Zurich et coauteur du papier original, exploite la décohérence de cet état de chat à 16 microgrammes pour tester le modèle d’effondrement gravitationnel de Diósi-Penrose. Cette théorie propose que la gravité elle-même pourrait être responsable de la disparition des superpositions quantiques à grande échelle.

Autrement dit, ce bloc de saphir devient un véritable laboratoire miniature pour interroger l’une des questions les plus tenaces de la physique moderne : où se situe exactement la frontière entre le monde quantique et le monde classique que nous expérimentons au quotidien. Les prochaines années diront si cette piste expérimentale permet de trancher ce débat vieux de près d’un siècle.

Ce que l’équipe de Yiwen Chu a démontré dépasse donc la simple prouesse technique. En faisant vibrer un cristal visible à l’œil nu dans deux états opposés simultanément, elle a repoussé une frontière que beaucoup pensaient infranchissable. Reste à voir jusqu’où cette approche permettra de sonder les mystères qui séparent encore notre intuition du monde quantique.

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