6.7 Décohérence

Accueil ／ Chapitre 6 : Domaine quantique (V5.05)

I. Phénomènes et énigme intuitive

Les petits systèmes peuvent se superposer et interférer, alors que les grands semblent suivre une trajectoire unique, « classique ». Un électron ou un photon isolé produit des franges fines au travers d’une double fente. Avec de la poussière chaude ou de grosses molécules, ces franges s’effacent rapidement. Même des qubits supraconducteurs, pourtant cohérents, perdent du contraste dès qu’ils se couplent davantage à l’extérieur. Une question s’impose : si les mêmes lois s’appliquent partout, pourquoi le monde macroscopique paraît-il classique ?

II. Lecture par la théorie des fils d’énergie (EFT) : trois mécanismes qui diluent la cohérence

Dans la théorie des fils d’énergie (EFT), un objet quantique se propage en relayant une « enveloppe de cohérence » au sein d’une mer d’énergie. La décohérence survient lorsque cette enveloppe se couple à l’environnement : l’ordre de phase se diffuse et se brouille.

• Le couplage environnemental écrit l’information de chemin partout : collisions et diffusions avec le gaz, le rayonnement ou le réseau cristallin inscrivent les différences de chemin dans de nombreux degrés de liberté de l’environnement. En termes EFT, un motif de phase se distribue sur une multitude d’éléments, constituant une mémoire dispersée.
• Le bruit de fond de tension émousse les motifs de phase : la mer d’énergie n’est pas statique. Un bruit de fond omniprésent fait dériver, avec le temps, les déphasages entre trajets. Les franges régulières se désordonnent ; l’enveloppe passe d’un profil net à un profil émoussé.
• L’environnement sélectionne des « couloirs » stables : à long terme, seules les orientations et distributions les moins sensibles à l’environnement se maintiennent. Ces « états pointer » correspondent à des couloirs de perturbation minimale et ressemblent à des trajectoires classiques.

Bilan : nul besoin d’observateur. L’information de phase fuit déjà vers l’environnement. Pour le système local, il ne reste qu’un mélange statistique, et les interférences deviennent invisibles. C’est ainsi que le « classique » émerge du quantique.

III. Scénarios représentatifs (du banc de table à l’avant-garde)

• Double fente avec gaz ou rayonnement thermique : en augmentant pression ou température près des trajets, la visibilité des franges décroît suivant une loi systématique qui combine pression, température et séparation des chemins. Les événements de diffusion « étiquettent » le chemin dans l’état des particules et photons voisins, d’où la fuite d’ordre de phase.
• Interférence de grosses molécules et auto-émission : C₆₀ et des molécules organiques plus grandes interfèrent à très haut vide et basse température. En chauffant, leur propre rayonnement thermique emporte l’information de phase, ce qui réduit le contraste.
• Temps de cohérence des qubits et récupération par écho : dans les systèmes supraconducteurs ou de spin, la relaxation et la déphasing limitent la cohérence. Des séquences d’écho et de découplage dynamique récupèrent partiellement l’ordre de phase et font réapparaître les franges. La décohérence traduit donc une diffusion d’information, non sa disparition.
• Expériences de « gomme quantique » : lorsque l’environnement porte une information de chemin, l’effacer ou l’agréger rétablit l’interférence dans les sous-ensembles conditionnels. La présence de franges dépend de l’accessibilité de l’information de phase, pas d’un « retour au classique » du système.
• Fenêtres en optomécanique et en biophysique : des résonateurs micromécaniques proches de l’état fondamental conservent brièvement la cohérence. Des complexes photosynthétiques maintiennent de minuscules « poches » de cohérence dans des milieux chauds et humides. La cohérence se maintient par ingénierie du couplage et du bruit de fond.

IV. Empreintes expérimentales (comment voir la phase s’émousser)

• La visibilité des franges décroît avec la pression, la température, la séparation des trajets et la taille des particules.
• Les enveloppes se désintègrent puis rebondissent dans des séquences de Ramsey et d’écho de Hahn.
• Après marquage ou effacement sélectif de l’information de chemin, les franges réapparaissent ou disparaissent dans les statistiques conditionnelles.
• Un bruit environnemental isotrope versus directionnel induit des dépendances angulaires distinctes des taux de décohérence.

V. Réponses rapides aux idées reçues

• La décohérence équivaut-elle à une perte d’énergie ? Non. C’est surtout la diffusion externe de l’information de phase ; l’énergie peut rester quasi inchangée.
• Faut-il un observateur ? Non. Tout couplage enregistrable à l’environnement distribue la phase, observateur ou non.
• Explique-t-elle l’issue unique d’une mesure ? Elle explique l’inobservabilité des superpositions et l’émergence des états pointer. Rendre lisible une différence minuscule exige encore le couplage, la fermeture et la mémoire de l’appareil de mesure.
• Est-elle irréversible ? En principe, non : si l’on inversait tous les enregistrements environnementaux, on restaurerait la cohérence. En pratique, ces traces se dispersent sur d’innombrables degrés de liberté ; les échos et gommes n’offrent qu’une réversibilité limitée.

VI. En résumé

La décohérence ne modifie pas les lois quantiques ; elle montre que, lorsque l’information de phase s’épanche de l’enveloppe locale vers l’environnement, les motifs d’interférence s’aplanissent du point de vue local. Le « classique » naît parce que le bruit de tension de fond et les couplages multiples poussent les systèmes vers des couloirs peu sensibles à l’environnement.

Une phrase : le quantique est partout ; le classique est son apparence après décohérence.