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Cours de mécanique quantique
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Cours de mécanique quantique

Maîtrisez la mécanique quantique, de ses fondements mathématiques jusqu'à la science de l'information quantique de pointe. Ce cours vous guide à travers les fonctions d'onde, le spin, le moment cinétique et les méthodes d'approximation avec une profondeur rigoureuse. Que vous visiez la recherche, des études supérieures ou l'ingénierie avancée, vous développerez la boîte à outils théorique qu'exige la physique moderne.

Dedika pour les entreprises

Ce que vous allez apprendre:

Vous développerez une maîtrise de la mécanique quantique, en commençant par l'algèbre linéaire et les équations différentielles qui sous-tendent la théorie. Vous résoudrez l'équation de Schrödinger pour des systèmes allant de la particule dans une boîte à l'atome d'hydrogène, et vous maîtriserez le moment cinétique, le spin et les statistiques de particules. Des techniques d'approximation telles que la théorie des perturbations, la méthode variationnelle et l'approximation WKB vous permettront d'aborder des problèmes sans solutions exactes. Les sujets avancés incluent le formalisme de la matrice densité, l'intrication quantique, les portes quantiques et des algorithmes comme ceux de Grover et de Shor. Du matériel supplémentaire élargit vos connaissances à la mécanique quantique relativiste, à la théorie quantique des champs, aux méthodes computationnelles et aux applications aux semi-conducteurs, aux lasers, à l'IRM et à la détection quantique.

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Contenu du cours

8 Chapitres • 40 LeçonsDurée entre 4 et 360 heures (vous décidez)

Chapitre 1Voir les détails

Fondements mathématiques de la mécanique quantique

  • Leçon 1 • Équations différentielles pour les physiciens

    Passe en revue les équations différentielles ordinaires et aux dérivées partielles essentielles pour résoudre l'équation de Schrödinger. Met l'accent sur les conditions aux limites et la séparation des variables.

  • Leçon 2 • Opérateurs, matrices et valeurs propres

    Présente les opérateurs linéaires et leurs représentations matricielles, puis dérive les équations aux valeurs propres. Les valeurs propres deviennent les grandeurs mesurables en théorie quantique.

  • Leçon 3 • Notions essentielles de probabilités et de statistiques

    Établit les distributions de probabilité, les valeurs d'espérance et la variance nécessaires à l'interprétation des résultats de mesure quantique. Soutient directement la règle de Born présentée ensuite.

  • Leçon 4 • Analyse de Fourier et transformées

    Développe les séries de Fourier et la transformée de Fourier comme outils pour passer des représentations de position et de quantité de mouvement. Jette les bases de l'analyse des paquets d'ondes.

  • Leçon 5 • Nombres complexes et algèbre linéaire

    Couvre le calcul complexe, les espaces vectoriels et les produits scalaires comme fondement algébrique des états quantiques. Se connecte directement à la notation de Dirac utilisée tout au long du cours.

Chapitre 2Voir les détails

Fondements de la théorie quantique

  • Leçon 1 • Notation de Dirac et espace de Hilbert

    Formalise la notation bra-ket et la structure de l'espace de Hilbert comme arène des états quantiques. Relie la notation abstraite aux représentations matricielles et fonctionnelles concrètes.

  • Leçon 2 • Les postulats de la mécanique quantique

    Énonce les cinq postulats fondamentaux régissant les vecteurs d'état, les observables, la mesure et l'évolution temporelle. Chaque postulat est lié à un exemple physique concret.

  • Leçon 3 • Superposition quantique et interférences

    Analyse la superposition comme une caractéristique fondamentale distinguant les systèmes quantiques des systèmes classiques. Démontre les interférences à travers l'expérience des fentes d'Young et l'interféromètre de Mach-Zehnder.

  • Leçon 4 • Principes d'incertitude

    Dérive la relation d'incertitude de Heisenberg à partir de l'algèbre des commutateurs d'opérateurs. Étend à la relation d'incertitude généralisée de Robertson pour des observables arbitraires.

  • Leçon 5 • Origines historiques et limites classiques

    Retrace les échecs expérimentaux de la physique classique qui ont exigé une théorie quantique. Établit le principe de correspondance comme pont vers la mécanique classique.

Chapitre 3Voir les détails

L'équation de Schrödinger et les fonctions d'onde

  • Leçon 1 • Oscillateur harmonique quantique

    Résout l'oscillateur harmonique à la fois par la méthode de l'équation différentielle et par la méthode algébrique des opérateurs d'échelle. Établit l'énergie du point zéro et les fonctions d'onde polynomiales d'Hermite.

  • Leçon 2 • États stationnaires et l'équation de Schrödinger indépendante du temps (TISE)

    Sépare les variables pour obtenir l'équation de Schrödinger indépendante du temps et définit les états stationnaires. Montre comment les états propres d'énergie forment une base complète pour les solutions générales.

  • Leçon 3 • Particule dans une boîte

    Résout exactement le puits de potentiel infini pour illustrer la quantification, la normalisation et l'orthogonalité. Étend au puits de potentiel fini pour introduire les conditions aux limites de l'effet tunnel.

  • Leçon 4 • Équation de Schrödinger dépendante du temps

    Dérive la TDSE à partir de la correspondance énergie-opérateur et analyse sa structure générale. Établit le courant de probabilité et la continuité comme lois de conservation.

  • Leçon 5 • Effet tunnel et problèmes de barrière

    Analyse la transmission et la réflexion sur des marches de potentiel et des barrières rectangulaires à l'aide de matrices de transfert. Relie l'effet tunnel à des phénomènes réels tels que la désintégration alpha et la microscopie à effet tunnel.

Chapitre 4Voir les détails

Mécanique quantique en trois dimensions

  • Leçon 1 • Harmoniques sphériques

    Construit les harmoniques sphériques comme fonctions propres angulaires et analyse leurs propriétés de symétrie. Fournit la partie angulaire de toutes les fonctions d'onde à potentiel central.

  • Leçon 2 • Équation de Schrödinger 3D en coordonnées cartésiennes

    Généralise la TISE à trois dimensions et résout le problème de la particule dans une boîte 3D. Introduit la dégénérescence comme conséquence de la symétrie spatiale.

  • Leçon 3 • Potentiel central et équation radiale

    Sépare la TISE 3D en parties radiale et angulaire pour tout potentiel central. Résout l'équation radiale pour l'atome d'hydrogène et l'oscillateur harmonique 3D.

  • Leçon 4 • Opérateurs de moment cinétique

    Dérive les opérateurs de moment cinétique orbital et leurs relations de commutation en coordonnées sphériques. Établit les états propres simultanés de L² et Lz.

  • Leçon 5 • Fonctions d'onde de l'atome d'hydrogène

    Dérive les fonctions d'onde complètes de l'hydrogène en utilisant les nombres quantiques n, l et m. Visualise les formes des orbitales et discute des règles de sélection pour les transitions.

Chapitre 5Voir les détails

Spin et moment cinétique quantique

  • Leçon 1 • Spin intrinsèque et expérience de Stern-Gerlach

    Motive le spin par l'expérience de Stern-Gerlach et définit le spin 1/2 comme un système à deux états. Établit les opérateurs de spin et leurs relations de commutation.

  • Leçon 2 • Addition des moments cinétiques

    Combine deux moments cinétiques en utilisant les coefficients de Clebsch-Gordan et la règle du triangle. Applique le formalisme au couplage spin-orbite et aux systèmes à deux électrons.

  • Leçon 3 • Moments magnétiques et spin dans les champs

    Relie le spin au moment magnétique et analyse la dynamique du spin dans des champs magnétiques externes. Dérive la précession de Larmor et la description quantique de la résonance magnétique.

  • Leçon 4 • Matrices de Pauli et algèbre du spin 1/2

    Présente les matrices de Pauli comme représentation matricielle des opérateurs de spin 1/2. Dérive les probabilités de mesure du spin et les valeurs d'espérance pour des états de spin arbitraires.

  • Leçon 5 • Théorie générale du moment cinétique

    Généralise le moment cinétique à un nombre quantique j arbitraire en utilisant l'algèbre abstraite des opérateurs d'échelle. Dérive le spectre complet des nombres quantiques j et m.

Chapitre 6Voir les détails

Particules identiques et statistiques quantiques

  • Leçon 1 • Indiscernabilité et symétrie d'échange

    Établit pourquoi les particules quantiques sont fondamentalement indiscernables et introduit l'opérateur d'échange. Dérive l'exigence de fonctions d'onde symétriques ou antisymétriques.

  • Leçon 2 • Applications à la matière condensée

    Applique les statistiques quantiques au gaz d'électrons libres, aux phonons et à la condensation de Bose-Einstein. Relie les statistiques quantiques microscopiques aux propriétés macroscopiques des matériaux.

  • Leçon 3 • Distributions statistiques quantiques

    Dérive les distributions de Fermi-Dirac et de Bose-Einstein à partir des contraintes de symétrie et les compare à la statistique de Maxwell-Boltzmann. Introduit le concept de potentiel chimique.

  • Leçon 4 • Bosons, fermions et théorème spin-statistique

    Classe les particules en bosons ou fermions selon leur spin entier ou demi-entier. Énonce le théorème spin-statistique et ses profondes implications physiques.

  • Leçon 5 • Déterminants de Slater et atomes à plusieurs électrons

    Construit des fonctions d'onde antisymétriques pour plusieurs électrons à l'aide des déterminants de Slater. Applique le formalisme pour construire le tableau périodique via le principe d'Aufbau.

Chapitre 7Voir les détails

Méthodes d'approximation en mécanique quantique

  • Leçon 1 • Théorie des perturbations dépendante du temps

    Développe la règle d'or de Fermi pour les taux de transition sous des perturbations dépendantes du temps. Applique le résultat à l'absorption, l'émission et les règles de sélection dans les atomes.

  • Leçon 2 • Approximation WKB

    Dérive les fonctions d'onde WKB dans les régions classiquement permises et interdites en utilisant la limite semi-classique. Applique les formules de raccordement à l'effet tunnel et aux conditions de quantification.

  • Leçon 3 • Principe variationnel et méthode variationnelle

    Démontre le théorème variationnel et utilise des fonctions d'onde d'essai pour estimer les énergies de l'état fondamental. Applique la méthode à l'hélium et à des systèmes moléculaires simples.

  • Leçon 4 • Théorie des perturbations dégénérées

    Traite la dégénérescence en diagonalisant la perturbation dans le sous-espace dégénéré. Applique la méthode à l'effet Stark et à l'effet Zeeman dans l'hydrogène.

  • Leçon 5 • Théorie des perturbations indépendante du temps

    Dérive les corrections d'énergie du premier et du second ordre et les corrections d'état du premier ordre pour les systèmes non dégénérés. Applique la méthode à la structure fine de l'hydrogène.

Chapitre 8Voir les détails

Sujets avancés et information quantique

  • Leçon 1 • Algorithmes quantiques et correction d'erreurs

    Présente les algorithmes de recherche de Grover et de factorisation de Shor comme démonstrations de l'avantage quantique. Introduit les codes stabilisateurs comme fondement de la correction d'erreurs quantique.

  • Leçon 2 • Inégalités de Bell et non-localité quantique

    Dérive les inégalités de Bell comme tests des théories à variables cachées locales et interprète les violations expérimentales. Établit la non-localité quantique comme un phénomène physique vérifié.

  • Leçon 3 • Intrication quantique

    Définit l'intrication par la non-séparabilité des états des systèmes composites et la quantifie à l'aide de mesures d'entropie. Analyse les états de Bell et leur rôle dans les corrélations quantiques.

  • Leçon 4 • Formalisme de la matrice densité

    Présente l'opérateur densité comme la description générale des états quantiques purs et mixtes. Dérive l'équation de von Neumann comme l'analogue de l'équation de Schrödinger pour la matrice densité.

  • Leçon 5 • Portes quantiques et circuits

    Associe les opérations quantiques aux portes à un et plusieurs qubits et construit des circuits quantiques. Introduit l'universalité et la relation entre les opérateurs unitaires et les ensembles de portes.

Certification

Votre certificat valide de réussite

Ce cours est fait pour vous :

  • Étudiants de licence en physique : prêts à dépasser les cours de mécanique classique d'introduction.

  • Étudiants diplômés en génie : ayant besoin de fondements quantiques rigoureux pour des spécialisations en recherche.

  • Informaticiens : poursuivant l'informatique quantique et souhaitant que la physique sous-jacente soit expliquée.

  • Passionnés de sciences autodidactes : qui ont dépassé les comptes rendus de vulgarisation scientifique de la théorie quantique.

  • Chimistes et scientifiques des matériaux : cherchant une théorie plus approfondie derrière le comportement moléculaire et électronique.

  • Personnes en reconversion professionnelle entrant dans les technologies quantiques : qui ont besoin d'une base théorique crédible et structurée.

Ce que disent nos élèves

Vos cours sont parfaits. J'ai acheté le forfait d'un an et j'ai enfin l'opportunité de suivre divers sujets qui m'intéressent sans avoir besoin de changer de plateforme... je vous remercie pour tout ce que vous faites, je vous ai déjà recommandés à d'autres personnes...
Giulio Carlo
Giulio CarloÉtudiant en Marketing Digital
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Mariana FerresÉtudiante en Photographie
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Luciana AlvarengaÉtudiante en Design d'Ongles
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André FelipeÉtudiant en Ingénierie de Prompt

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