Démystifier le mythe de l’entropie quantique
Des chercheurs de la TU Wien ont résolu un paradoxe de longue date sur l’entropie quantique, prouvant que même dans des systèmes quantiques isolés, le désordre augmente naturellement, alignant ainsi la mécanique quantique avec la thermodynamique.
La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l’entropie—le désordre—augmente toujours dans un système fermé. Cela explique pourquoi la glace fond et pourquoi un vase brisé ne se recompose pas spontanément. Cependant, la physique quantique semblait contredire ce principe, les calculs traditionnels suggérant que l’entropie reste constante.
En redéfinissant l’entropie d’une manière compatible avec la mécanique quantique, les chercheurs ont montré que le désordre augmente bel et bien. Des systèmes initialement ordonnés deviennent plus chaotiques avec le temps, comme en physique classique.
Entropie et direction du temps
L’entropie est souvent associée au désordre, mais elle mesure en réalité si un système se trouve dans un état rare et spécifique (basse entropie) ou dans l’un des nombreux états similaires (haute entropie). “Cela définit la flèche du temps”, explique Max Lock (TU Wien). “Le passé a une entropie plus faible, tandis que le futur a une entropie plus élevée.” Pourtant, les travaux de John von Neumann suggéraient que l’entropie quantique reste inchangée, rendant le temps réversible.
“Mais cela ignore un détail clé”, déclare Tom Rivlin (TU Wien). “En physique quantique, nous ne pouvons jamais connaître un système de manière complète. Nous pouvons mesurer des propriétés comme la position ou la vitesse, mais seulement en probabilités, jamais avec certitude.” Cette imprévisibilité doit être prise en compte dans les calculs d’entropie.
Contrairement à l’entropie de von Neumann, l’entropie de Shannon tient compte de l’incertitude de mesure. “Elle reflète la quantité d’information que nous obtenons d’une observation”, explique Florian Meier (TU Wien). “Si un résultat est certain, l’entropie de Shannon est nulle. Si plusieurs résultats sont également probables, elle est élevée.”
Le désordre quantique augmente toujours
Les chercheurs ont prouvé mathématiquement et par simulations que l’entropie de Shannon dans un système quantique fermé augmente jusqu’à se stabiliser à un maximum—comme le prédit la thermodynamique classique. Au fil du temps, les mesures deviennent de moins en moins prévisibles, renforçant ainsi la deuxième loi de la thermodynamique.
Pour les systèmes à particule unique, cet effet est négligeable. Mais dans les systèmes quantiques complexes—comme ceux utilisés en informatique quantique—la réconciliation de la mécanique quantique avec la thermodynamique est cruciale. “Cette recherche jette les bases des futures technologies quantiques”, conclut Huber.
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