Dossier Pour la SCIENCE 93 – Octobre-décembre 2016

Les promesses du monde QUANTIQUE

David Tong

Dans Matrix, Néo découvre que le monde est virtuel, contrôlé par une machine. De nombreux physiciens aujourd'hui voient le monde naturel comme un ordinateur décrit par des bits d'informations et les lois de la physique comme un algorithme.

À la fin du XIXe, Leopold Kronecker affirmait : ''Dieu a créé les nombres entiers, tout le reste est l’œuvre de l'homme.'' L'idée que la nature serait essentiellement discrète et non continue, que les éléments de base de la matière peuvent être comptés un par un. Idée proposée par les atomistes de la Grèce ancienne décrivant parfaitement l'ère numérique. Vivons-nous dans un ordinateur quantique gouverné par un algorithme ? Notre monde est-il pointilliste ?

David Tong s'oppose à cette idée, pensant que la réalité est continue,il n'existe pas d'éléments de base irréductibles, les quantités physiques sont des nombres réels, continus, avec une infinité de chiffres après la virgule. Les lois de la physique ont des caractéristiques que personne ne sait simuler sur ordinateur.

Dans l'antiquité déjà s'opposaient les atomistes et les philosophes voyant la réalité comme un continuum. À l'époque de Newton s'opposèrent les théories corpusculaires et théories ondulatoires. En 1882 Max Plank concluait un article ainsi : ''Malgré le succès de la théorie atomique, elle devra être abandonnée au profit de l'hypothèse d'une matière continue''. La mécanique quantique transforma le débat discret-continu. Un atome ou une particule élémentaire ne peuvent être définis arbitrairement. Les entiers numérotant les éléments chimiques sur le tableau de Mendeleïev (correspondant aux nombres de protons des atomes en question) sont objectifs. Quels que soient les développements que la physique nous réserve, nous n'observeront jamais d'éléments à ⱱ500 protons, situé entre le titane et le vanadium. Les entiers en physique atomique ont vocation à rester.

En ce qui concerne l'atome une évidence s'impose : Dieu n'a pas fait les nombres entiers ; il a fait les nombres réels, et le reste est le fait de l'équation de Schrödinger. Laquelle décrit l'évolution de la fonction des ondes au cours du temps ne contient que des grandeurs continues. Pour David Tong, les briques de la nature ne sont pas des particules mais des champs, des objets continus semblables à des fluides qui occupent tout l'espace. Outre les champs électriques et magnétiques il existe aussi un champ pour l'électron, un pour chaque type de quark, un champ de Higgs et ainsi de suite. Les particules élémentaires ne sont pas des fondamentaux mais des modes d'oscillation de champs continus. Toute affirmation de l'existence de trois sortes de neutrinos, six sortes de quarks, etc. Ce n'est qu'un artifice dû à la non-prise en compte des interactions des particules. 

Autre exemple d'entier dans les lois de la physique, le nombre de dimensions de l'espace. Est-on certains qu'il en existe 3 ? Benoît Mandelbrot fit remarquer que leur nombre pourrait n'être pas un entier. Vus de près les champ quantiques, voire l'espace-temps, révéleraient-ils eux aussi une structure sous-jacente discrète ? L'auteur se hasarde à dire qu'il pourrait n'y avoir qu'un seul entier véritable dans toute la physique : les lois de la physique ne prennent en compte qu'une seule dimension pour le temps. Puisque les scientifiques ne savent pas que conclure de notre incapacité à simuler complètement le modèle standard sur ordinateur. Un problème trop ardu peut être résolu plus tard mais certains indices laissent penser qu'il est plus complexe que cela. Les obstacles en cause sont intimement liés à des propriétés topologiques et géométriques. Ce pourrait être la démonstration que les lois de la physique ne sont pas, fondamentalement, discrètes.

Le Pr Tong peut ainsi conclure : Nous n'habitons pas une simulation numérique. Il ne dit pas en revanche où nous habitons.

Et c'est peut-être mieux ainsi !

Dossier Pour la SCIENCE 93 – Octobre-décembre 2016

Les promesses du monde QUANTIQUE

Christopher Monroe – Robert Schoelkopf – Mikhail Lukin
 

Depuis deux décennies les physiciens tentent d'exploiter les bizarreries du monde microscopique afin d'obtenir des avancées en termes de traitement de l'information et de capacités de communication. Des machines quantiques réaliseraient des tâches de calcul, de communication et de mesure que l'on pensait hors de portée. Elles stockeraient et communiqueraient de l'information avec une confidentialité garantie par les lois de la physique, simulant des processus chimiques complexes autrement incalculables. De plus les systèmes quantiques renforceraient la précision des horloges atomiques et serviraient de capteurs miniatures pour mesurer les propriétés de systèmes chimiques et biologiques à l'échelle atomique ou moléculaire.

Les difficultés commencèrent avec la fabrication de ces machines qui, pour fonctionner, devraient être grandes, et donc obéir aux règles du domaine macroscopique.

L'approche modulaire  permettrait de contourner cette difficulté en connectant de petites unités quantiques afin que leur nature  soit préservée.

Richard Feynman et David Deutsch furent parmi les premiers à imaginer de tels ordinateurs, proposition hypothétique jusqu'à ce que Peter Shor montre, en 1994, comment ils pourraient factoriser rapidement des grands nombres. Les premières machines virent le jour au début du XXI^e siècle avec des systèmes simples composés de quelques bits portés par des atomes, des molécules ou des photons.

En informatique classique l'unité de base d'information, le bit, prend la valeur 0 ou 1, à l'inverse, l'unité quantique d'information, le qubit, peut exister dans les deux états à la fois grâce au phénomène de superposition. Ces qubits peuvent être reliés par l'intrication donnant aux ordinateurs quantiques une capacité de calcul parallèle massif. Quand un computer classique traite une information, la version quantique pourrait tester toutes les solutions possibles à un problème donné. Quelques centaines de qubits calculeraient un tableau de résultats dépassant le nombre de particules de l'univers.

Problème : les capacités spéciales des objets quantiques ne s'observent que dans des systèmes très petits et s'effacent quand ces objets sont connectés à un ensemble plus large. Le défi est de passer à l'échelle supérieure sans perdre la nature quantique. Un système modulaire serait la solution, utilisant quelques qubits pour connecter des modules séparés. Ces systèmes contribueraient à maintenir le nombre d'interactions des qubits à un niveau gérable en protégeant chaque module des interférences avec l'extérieur. Le type le plus naturel de qubit est un atome unique dont les niveaux d'énergie électronique ou nucléaire stockent de l'information quantique. Des ions positifs peuvent offrir les mêmes avantages, encore faut-il contrôler les pièges à ions, constitués de milliers d'électrodes, ou utiliser des lasers déclenchant chez les ions l'émissions de photons intriqués avec eux. Ces photons transférant l'intrication entre modules.

Contrôler des atomes est complexe, il serait ''plus simple'' de concevoir des ''atomes artificiels'' avec des matériaux supraconducteurs qui se prêtent naturellement à une architecture modulaire. Les connexions peuvent être établis au sein d'un dispositif cryogénique en réduisant les interférences entre modules et en les protégeant les uns des autres.

Après plus de vingt années de recherches, tous les systèmes modulaires ont été testés à petite échelle. L'objectif est de les utiliser pour des applications intéressantes. L'heure n'est plus à s'interroger sur la faisabilité des ordinateurs quantiques mais à les fabriquer, et à les employer.

Anthologie indispensable !

En ce jour de commémoration de l'espoir que la paix vienne enfin autant laisser la parole à ceux qui connurent le froid, la faim et la peur, et parfois rencontrèrent la mort, dans les tranchées. J'aurais voulu en inclure autant qu'il y eut de victimes, ce n'est pas possible, malheureusement.

Dans un trou à Verdun.

Toute la terre tremble,

Et le canon qui gronde.

Oui, je crois, il me semble

Que c’est la fin du monde.

Dans nos trous, on blasphème,

On ne croit plus au bon dieu.

Même les morts aux faces blêmes

Tendent leurs poings vers les cieux.

C’est la moisson de notre jeunesse.

On tue des gosses de vingt ans

Qui meurent là, sans une caresse,

Fauchés comme des fleurs de printemps.

A quand la fin de ce cauchemar.

On n’en peut plus; on en a marre.

Mais c’est dans un trou à Verdun

Que j’ai connu mon petit copain.

Comme l’amitié réchauffe le cœur !

On se déride; on n’a plus peur.

Et dans la boue de Verdun

Nous nous sommes serrés la main.

Prends mon bidon, un coup de pinard,

Rien de meilleur contre le cafard.

Et pourquoi conserver ces biens,

Puisque nous tous mourrons demain.

Et puis ensuite nos retrouvailles

Devant ta maison près du café.

On discutait de nos batailles

Et des copains qu’on a laissés.

Toujours dans notre petite causette:

Souville, Douaumont et La Caillette.

Mais je voyais dans tes yeux bleus,

Comme un reflet des cieux.

Tu es parti de bon matin,

Sachant bien sûr, l’étape dure.

Et puis quand on pense aller loin,

Il faut ménager sa monture.

Mais partant pour l’éternité

Au pays de l’égalité,

Tu aurais dû comme à Verdun,

Mon petit copain, me serrer la main.

Mais dis-lui bien, à Dieu le Père,

Puisque Verdun fut un enfer,

Qu’il te réserve au paradis

Une place pour toi et tes amis,

Et tous les combattants de la terre.

Une prière: honnie la guerre,

Et tous, nous nous serrerons la main,

En bons copains, en vrai copains.

Henri Eugène LALLIER

1891-1976

Pour mon copain Marcel BOURGEOIS

Ancien du 147ème R.I.

Heureux ceux qui sont morts pour la terre charnelle

Mais pourvu que ce fût dans une juste guerre

Heureux ceux qui sont morts pour quatre coins de terre

Heureux ceux qui sont morts d'une mort solennelle.

Heureux ceux qui sont morts dans les grandes batailles

Couchés dessus le sol à la face de Dieu

Heureux ceux qui sont morts sur un dernier haut lieu

Parmi tout l'appareil des grandes funérailles

Heureux ceux qui sont morts pour des cités charnelles

Car elles sont le corps de la cité de Dieu

Heureux ceux qui sont morts pour leur âtre et leurs feu

Et les pauvres honneurs des maisons paternelles

Heureux ceux qui sont morts, car ils sont retournés

Dans la première argile et la première terre

Heureux ceux qui sont morts dans une juste guerre

Heureux les épis mûrs et les blés moissonnés

Charles PEGUY