Chaque automne, la même fébrilité gagne les laboratoires de physique du monde entier. L’Académie royale des sciences de Suède doit annoncer dans les prochains jours le lauréat ou les lauréats du prix Nobel de physique. Selon l’usage, le dévoilement a lieu un mardi au début d’octobre. Cette année, un signal venu d’ailleurs alimente les pronostics. Le prix Wolf de physique, souvent présenté comme un baromètre du Nobel, a été décerné le 1er octobre au physicien allemand Immanuel Bloch, rapporte ScienceNet.cn, la plateforme du Quotidien de la science de Chine. Bloch est professeur à l’Université Louis-et-Maximilien de Munich et dirige une division de l’Institut Max-Planck d’optique quantique.
Le média chinois en tire une lecture claire : la physique de la matière condensée, et plus particulièrement la simulation quantique à l’aide d’atomes ultrafroids, serait de nouveau sous les projecteurs.
Qui est Immanuel Bloch
Immanuel Bloch s’est fait connaître en transformant des nuages d’atomes refroidis à quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu en véritables « matériaux artificiels ». Son principe consiste à piéger ces atomes dans un réseau optique, c’est-à-dire une grille de lumière formée par l’interférence de faisceaux laser. Les atomes y occupent des positions régulières, comme les ions d’un cristal. Les chercheurs peuvent toutefois régler à volonté la profondeur des puits, la distance entre eux et la force des interactions.
L’expérience qui a fait date remonte à 2002. Avec Markus Greiner, Theodor Hänsch, Tilman Esslinger et d’autres collègues, Bloch a observé dans un tel réseau la transition entre un état superfluide et un isolant de Mott. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature. Ce phénomène est central dans la théorie des solides : des électrons qui « devraient » conduire le courant se bloquent mutuellement sous l’effet de leur répulsion. Le voir se produire, sur commande, dans un gaz d’atomes a démontré qu’il était possible de reproduire en laboratoire des modèles théoriques réputés insolubles par le calcul.
Au cours des années suivantes, son groupe et d’autres équipes, notamment celle de Markus Greiner à Harvard, ont mis au point le « microscope à gaz quantique ». Cet instrument permet de photographier un à un les atomes dans le réseau. On peut ainsi observer directement des corrélations magnétiques, des fronts de propagation de l’intrication ou encore des phases exotiques de la matière.
La simulation quantique, une idée de Feynman devenue réalité
L’intérêt dépasse largement la prouesse expérimentale. Au début des années 1980, Richard Feynman avait suggéré que, pour comprendre un système quantique trop complexe pour un ordinateur classique, le plus simple serait d’en construire un autre, contrôlable, qui obéit aux mêmes équations. C’est exactement ce que font les simulateurs à atomes froids.
Les questions visées sont parmi les plus coriaces de la physique contemporaine. L’origine de la supraconductivité à haute température, découverte en 1986 dans les cuprates par Georg Bednorz et Alex Müller, reste par exemple débattue près de quarante ans plus tard. Le modèle de Hubbard, que les réseaux optiques permettent d’émuler, est considéré comme l’une des clés de ce mystère. Les simulateurs analogiques constituent aussi une branche à part entière des technologies quantiques, à côté des ordinateurs quantiques dits universels, qui progressent plus lentement que ne l’annonçaient certaines promesses industrielles.
Le Wolf, un indicateur imparfait mais suivi de près
Décerné par la Fondation Wolf, en Israël, depuis 1978, le prix Wolf a souvent précédé le Nobel. Les exemples récents ne manquent pas. Alain Aspect, John Clauser et Anton Zeilinger l’ont reçu en 2010, avant d’obtenir le Nobel en 2022 pour leurs expériences sur l’intrication. En 2022, le Wolf a récompensé Anne L’Huillier, Ferenc Krausz et Paul Corkum pour la physique attoseconde. Un an plus tard, L’Huillier et Krausz recevaient le Nobel, cette fois aux côtés de Pierre Agostini.
Ce dernier cas illustre aussi les limites de l’exercice. Paul Corkum, pionnier reconnu du domaine, n’a pas été retenu par Stockholm. Le règlement du Nobel limite chaque prix à trois personnes, ce qui oblige le comité à trancher dans des communautés où les contributions sont souvent collectives. Pour la simulation quantique, la question se poserait avec acuité : outre Bloch, des noms comme Markus Greiner, ou les théoriciens Ignacio Cirac et Peter Zoller, eux-mêmes lauréats du Wolf en 2013, reviennent régulièrement dans les discussions.
Il faut donc prendre ces pronostics avec prudence. Le comité Nobel délibère en secret, ses archives restent scellées pendant cinquante ans et il a souvent surpris. Le prix de 2024, attribué à John Hopfield et Geoffrey Hinton pour les fondements de l’apprentissage automatique, avait ainsi déjoué la quasi-totalité des prédictions.
La matière condensée, une habituée du palmarès
Si ScienceNet.cn insiste sur la matière condensée, c’est aussi parce que ce champ est le plus vaste de la physique, en nombre de chercheurs comme en retombées technologiques. Son palmarès Nobel est fourni. On y trouve l’effet Hall quantique (Klaus von Klitzing, 1985), l’effet Hall quantique fractionnaire (1998), la superfluidité et la supraconductivité (2003) et la magnétorésistance géante (Albert Fert et Peter Grünberg, 2007), sur laquelle reposent les têtes de lecture des disques durs. S’y ajoutent le graphène (Andre Geim et Konstantin Novoselov, 2010) et les phases topologiques de la matière (David Thouless, Duncan Haldane et Michael Kosterlitz, 2016).
Les atomes ultrafroids ont eux aussi déjà été couronnés : en 2001, Eric Cornell, Wolfgang Ketterle et Carl Wieman ont reçu le Nobel pour la réalisation des premiers condensats de Bose-Einstein. Un prix pour la simulation quantique prolongerait cette lignée. Il célébrerait non plus la création d’un nouvel état de la matière, mais son usage comme outil de découverte.
D’autres pistes de la matière condensée sont régulièrement évoquées. Le graphène bicouche « tordu », dans lequel Pablo Jarillo-Herrero a observé en 2018 une supraconductivité inattendue à un angle dit « magique » prédit par Allan MacDonald et Rafi Bistritzer, a valu aux trois chercheurs le Wolf en 2020. Les isolants topologiques et les métamatériaux figurent aussi parmi les candidats récurrents des listes de pronostics.
Le facteur rotation
Un élément pourrait toutefois jouer contre la matière condensée cette année. Le Nobel de 2025 a été attribué à John Clarke, Michel Devoret et John Martinis pour la mise en évidence de l’effet tunnel macroscopique et de la quantification de l’énergie dans un circuit électrique. Ces travaux, menés au milieu des années 1980, sont à l’origine des qubits supraconducteurs. Ils relèvent largement de la physique des solides et des technologies quantiques.
Or, le comité tend historiquement à faire alterner les grands domaines : astrophysique et cosmologie, physique des particules, optique et physique atomique, matière condensée. La cosmologie et l’astrophysique ont été récompensées en 2019 et 2020, la physique des systèmes complexes et du climat en 2021, l’optique quantique en 2022 et 2023. Rien n’interdit au comité de rester dans le registre quantique, d’autant que la simulation par atomes froids se situe à la frontière de la physique atomique et de la matière condensée. Mais deux prix consécutifs très proches dans leur esprit seraient une petite entorse à cette habitude.
Ce qui se joue au-delà du nom des lauréats
Quelle que soit l’issue, le débat révèle une tendance de fond. La frontière entre physique fondamentale et ingénierie quantique s’estompe. Les expériences qui permettaient hier de tester les fondements de la mécanique quantique sont devenues des plateformes technologiques financées par des programmes nationaux en Europe, aux États-Unis et en Chine. L’Allemagne, où travaille Bloch, a fait de Munich l’un des pôles européens de ces recherches.
Récompenser la simulation quantique reviendrait à reconnaître que l’on peut comprendre la matière non seulement en l’observant, mais en la fabriquant atome par atome. Réponse dans quelques jours, à Stockholm.