01net Hors-Série – Juillet-Aout 2016

ROBOTS

Stéphane Barge, avec Sylvain Biget

''Rien n'existe dans notre intelligence qui n'ait d'abord été dans

nos sens'' disait Démocrite. L'Homme s'en remet à ses sensations, les droïdes en font autant, l'intelligence artificielle serait inutile sans perception de l'environnement. Le problème étant de doter les robots d'aptitudes façonnées par la nature pendant des millions d'années. Heureusement, ou pas, le boom des nanotechnologie est en passe de nous, et leur, donner les moyens d'y parvenir en permettant la conception de capteurs minuscules et performants. Les machines sont en route pour l'empire des sens.

Yingluck Shinawatra, ex première ministre de Thaïlande, s'est fait faire un robot goûteur. E-delicious analyse notamment currys et soupes Tom yam pour vérifier que les recettes sont conformes aux goûts de sa patronne. Il utilise des capteurs électroniques imitant nos papilles distinguant cinq saveurs primaires – le sucré, le salé, l'amer, l'acide et ''l'umami'', le savoureux. Plus le piquant d'un piment, la fraîcheur de la menthe que transmet notre nerf trijumeau intervenant dans la mastication.

Les ''palais électroniques'' sont exploités par l'agroalimentaire pour déguster café, soda, et même vin. Les chercheurs de l'université de Washington utilisent la langue conçue par l'expert français Alpha MOS pour tester les crus dont l'intensité des saveurs est déterminée avec une précision moléculaire. Informations fournies aux viticulteurs qui peuvent alors modifier leurs productions.

Diya One pèse trente kilos et possède un nez inimitable. Ce robot, conçu par un polytechnicien, est doté d'un odorat capable de renifler les molécules polluant l'air des bureaux et maisons. Il aspire les composés organiques volatils et les particules fines dans le but de purifier l'atmosphère intérieure. Difficile de reproduire le fonctionnement des millions de cellules de notre appareil olfactif, ni les neurones tapis dans nos fosses nasales chargés de transmettre ces odeurs jusqu'au cerveau. Pourtant la recherche progresse, C₂Sense a conçu un nez reconnaissant les fruits périmés en reniflant l'éthylène qu'ils dégagent quand ils sont trop murs. Il pourrait repérer la viande avariée libérant de l'amine ou du poisson pas frais produisant de l'ammoniac. Dans le domaine médical les nez robotisés seront plus utiles. Certains sont capables de diagnostiquer un cancer de la prostate en reniflant l'urine alors que d'autres décèlent une lésion à l'estomac en respirant l'haleine du patient. 

Votre smartphone vous entend, et vous répond, mais vous devez approcher la bouche du terminal pour que les bruits parasites ne viennent pas interférer. Les droïdes ont la même difficulté à isoler un son parmi beaucoup. Hearbo, produit par Honda, apporte des progrès avec ses 4 oreilles détectant 4 sources sonores en même temps. Le projet européen Ears ambitionne de doter les machines d'une audition plus sensible. Il utiliserait ses yeux pour mieux entendre, en analysant dans son environnement les sources de son et sélectionner la bonne.

Bio Tac, lui, est capable d'identifier au toucher une centaine de tissus, verres ou plastiques avec une réussite frisant les 100%, soit 20% de plus que les cobayes humains. Lorsque son doigt entre en contact avec une matière, sa peau de silicone, constituée de microsillons semblables à nos empreintes digitales, se déforme et propage des vibrations mesurées par ses capteurs ultrasensibles aptes à distinguer les nuances entre les textures. La nouvelle ''peau'' créée par les chimistes de L'institut national des sciences et technologies de Corée du Sud à base d'oxyde de graphène et de polymères perçoit simultanément la pression et la température avec assez de finesse pour mesurer prendre le pouls d'un patient.

Rapportée en pixels l'œil humain serait de 52 millions de points, de nombreux capteurs affiche une définition cinq fois supérieure capable de libre l'immatriculation d'un avion situé à 18 kilomètres. La puissance du capteur ne fait pourtant pas tout, le ''cerveau'' du robot doit interpréter ce qu'il voit et cela nécessite un traitement complexe. Le méthode d'apprentissage profond semble convenir pour entraîner le robot à reconnaître des formes pour les associer à des objets déjà mémorisés.

Dossier Pour la SCIENCE 93 – Octobre-décembre 2016

Les promesses du monde QUANTIQUE

Steven Carlip

Imaginer la gravitation dans un espace à 2 dimensions guide les physiciens vers son unification avec la physique quantique.

La physique a toujours été en quête d'unité, Newton et Maxwell sont allé dans ce sens, un siècle après ce dernier les physiciens ajoutaient à sa théorie associant électricité, magnétisme et lumière, l'interaction faible pour créer la théorie électrofaible. La relativité générale associant l'espace et le temps en un continuum unique. Reste à unifier la gravitation et la physique quantique.

Là où ces théories devraient s'appliquer ensemble, les situations extrêmes où effets quantiques et gravitationnels sont importants, comme au cœur des trous noirs ou les premières fractions de seconde de l'Univers, elles semblent incompatibles.

Les premières études de la gravitation dans un monde à deux dimensions, dans les années 1960 furent décevante. L'espace plan semblait dépourvu de gravitation, les ondes gravitationnelles manquaient d'espace pour se propager. 2 décennies plus tard le sujet renaît quand les chercheurs s'aperçoivent qu'elle s'applique d'une façon inattendue. Hors la loi de Newton, jouant sur la forme de l’espace et pourrait y engendrer des trous noirs.

Selon la relativité générale la gravitation n'est pas une force mais une manifestation de la géométrie de l'espace-temps. La Terre tourne autour du soleil parce qu'elle se déplace en suivant le chemin le plus court dans un espace-temps courbé par la masse du soleil. Dans une théorie quantique de la gravitation, l'espace et le temps fluctuent, ébranlant la physique classique : nous ne savons pas donner un sens précis à l'espace-temps quantique.

Le temps est fondamental dans la réalité, presque toutes les théories physiques décrivent in fine la façon dont certaines grandeurs varient au cours du temps. Une notion difficile à définir précisément. Pour Newton le temps était absolu, en accord avec la mécanique quantique mais pas avec la relativité générale qui voit le temps comme une composante dynamique de l'espace-temps.

Le problème du temps a un cousin moins célèbre : le problème des observables. Une théorie doit faire des prédictions testables sur des quantités observables. Autre problème, la naissance de l'Univers. A-t-il surgit de rien ? Décrit-il un cycle éternel de périodes d'expansion suivies d'effondrements ? Est-ce une bulle en expansion au sein d'un univers parent ? Sans oublier les questions afférentes aux trous noirs, lesquels, comme le démontra Stephen Hawking, doivent émettre un rayonnement similaire à celui d'un objet porté à une certaine température qui reflète le comportement de ses composants microscopiques.

La déformation de l'espace bidimensionnel qu'induit la gravitation est plus plus simple que le motif complexe de courbure qu'elle crée dans notre Univers. Il n'y a pas d'équivalent de la loi de l'attraction newtonienne. Deux corps initialement immobiles ne tomberont pas l'un vers l'autre. Les ondes gravitationnelles et leurs gravitons ne peuvent pas être contenus dans deux dimensions spatiales.

La gravitation en 2 dimensions montre comment le temps pourrait émerger d'un cadre fondamentalement atemporel, l'univers entier pourrait être décrit par une unique fonction d'onde quantique. D'une façon ou d'une autre cette fonction d'onde ''atemporelle'' fait émerger le flux du temps tel que nous le connaissons, lequel n'existe pas déconnecté de la réalité physique. Il est toujours déterminé par un sous-système corrélé avec le reste de l'Univers.

La gravitation bidimensionnelle réserve une bonne nouvelle aux partisans des trous de vers, ces hypothétiques raccourcis entre deux points distants de l'Univers. Dans certaines versions de cette gravitation quantique on peut décrire la création de l'Univers à partir de rien, le changement ultime de topologie.

La gravitation quantique en deux dimensions était au départ un simple cadre destiné à explorer des idées sur la gravitation dans le monde réel mais ce modèle fut surprenant par sa richesse.

Dossier Pour la SCIENCE 93 – Octobre-décembre 2016

Les promesses du monde QUANTIQUE

Domenico Giulini

L'égalité entre la masse mesurant l'invertie et la masse déterminant la gravitation est au fondement de la relativité générale : c'est le principe d'équivalence.

Les théories de la relativité générale et la théorie quantique soulèvent des problèmes d'interprétation quand on tente de tester la première à l'ide d'une expérience faisant intervenir la seconde. Une difficulté apparue lorsque des physiciens ont testé ce principe avec une expérience mettant en jeu la théorie quantique. Ces théories décrivent une grande gamme de phénomènes, sont applicables de façon universelle et ne se contredisent pas dans leurs conséquences. Des constantes fondamentales leur sont attachées. La vitesse de la lumière c et la constante gravitationnelle G pour la relativité ; la constante de Planck h, pour la théorie quantique. 

D'ordinaire les effets gravitationnels et les effets quantiques se manifestent à des échelles très différentes, de sorte que les mesurer simultanément exige des précisions énormes. Les échelles indiquées par les unités de Planck sont si petites qu'il semble exclu de pouvoir s'en approcher expérimentalement. Pour autant a-t-on besoin de construire une théorie quantique de la gravitation pour savoir si un atome tombe comme une pierre, surtout si cet atome se trouve dans un état ambigu de position.

En 1884 Heinrich Hertz décrivait que ''2 quantités de matière ont les mêmes effets gravitationnels si elles ont la même inertie, quels que soient les matériaux qui les constituent'' attendant qu'une ''explication simple et compréhensible en soit possible.'' Celle-ci vint avec la relativité générale et l'unification de l'inertie et de la gravitation par l'intermédiaire d'une structure géométrique commune à l'espace et au temps.

À l'intersection de la théorie de la gravitation et de la théorie quantique apparaissent des questions conceptuelles concernant chacune des deux théories. Jusqu'à présent les études ne furent fait qu'avec un système quantique dans un champ gravitationnel classique, la prochaine étape consisterait à décrire ce champ et ses interactions avec un atome dans le cadre de la théorie quantique. Des différences notables entre la gravitation et les autres interactions devraient se manifester. Toutes les tentatives faites pour formuler une théorie de la gravitation sont parties du principe que les règles quantiques habituelles s'appliquent à la gravitation. Ces règles n'ont fait leur preuve qu'avec d'autres interactions ce qui ne signifie pas que leur physique profonde ait été comprise.

Il existe un réel espoir de préciser les relations entretenues par la gravitation et la théorie quantique, et d'envisager le principe d'équivalence d'un point de vue quantique.

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

Vlatko Vedral

La théorie quantique décrit particules, atomes et autres molécules, le monde microscopique, mais céderait la pas à la physique classique pour les poires, les gens ou les planètes. Idée répandue dans le grand public, le monde macroscopique étant défini par la relativité. Ce cloisonnement est un mythe. Pour la majorité des physiciens la physique classique est une approximation dans un monde quantique à toutes les échelles.

L'important n'est pas de considérer la taille des systèmes mais leurs interactions. De nombreuses expériences visent à explorer à l'échelle macroscopique des effets quantiques plus présents qu'on le soupçonnait et qui joueraient un rôle dans nos cellules, l'orientation des oiseux ou la photosynthèse des plantes !

Reste à assimiler ce que dit la nature, les comportements quantiques échappent au sens commun et nous force à repenser notre vision de l'Univers pour en accepter une moins familière. Il est faux de voir un monde qui serait de plus en plus classique à mesure qu'on le regarderait en grand.

En 1935 Erwin Schrödinger imagina pour illustrer le lien entre les mondes microscopique et macroscopique d'enfermer un chat dans un local contenant un flacon de gaz mortel, un compteur de radioactivité et un atome radioactif. Si le compteur détecte de la radioactivité le flacon casse et le gaz tue le chat.

Le compteur, appareil macroscopique, voit l'atome désintégré ou non-désintégré. Or le monde quantique accepte qu'un atome soit dans ces deux états à la fois, qu'il soit superposé, ainsi le chat peut-il être à la fois mort et vivant.

Dispositif théorique remis en cause aujourd'hui qui pose la question, pourquoi un chat doit-il être mort ou vivant, et pas mort-vivant ? Chaque phénomène quantique peut impliquer des états superposés mais ces états, sauf un, tendent à disparaître. La fuite d'information est le mécanisme par lequel les états quantiques de superposition se détruisent, la décohérence.

Phénomène quantique par excellence, l'intrication transforme un ensemble de particules isolées en un tout indivisible. En physique classique les propriétés d'un système se ramènent aux propriétés de ses composants. Pas avec un système quantique intriqué. Par exemple, une des propriétés des électrons est leur moment cinétique intrinsèque, nommé spin. Les électrons tournent telles des toupies, quoi qu'il arrive les spins d'une paire d'électrons intriqués seront toujours opposés comme si la mesure de l'un obligeait l'autre à prendre la valeur opposée. Comment ces spins se ''concertent-ils'' ? C'est encore une énigme.

La question se posait de la présence possible de l'intrication dans des êtres vivants. Cet organisme pourrait être le rouge-gorge familier, oiseau migrant chaque année entre la Scandinavie et l'Afrique équatoriale. Ces oiseaux sont insensibles aux inversions de direction du champ magnétique mais le sont à l'inclinaison du champ magnétique terrestre, sensibilité qui disparaît quand leurs yeux sont bandés, preuve que la boussole de ces animaux s'y trouve. En 2000 le physicien Thorsten Ritz propose une solution : l'intrication. Selon lui la rétine d'un œil d'oiseau contiendrait une molécule où deux électrons forment une paire intriquée de spin total nul que le champ magnétique affecte induisant une réaction de la molécule. L'oiseau est ainsi doté d'un dispositif d'orientation macroscopique, qui ne relève pas de la physique classique.

Autre processus biologique où l'intrication pourrait agir, la photosynthèse, par laquelle les plantes convertissent l'énergie solaire en énergie chimique. Dans les cellules végétales la lumière incidente éjecte des électrons qui sont conduit vers un centre de réaction où ils déposent leur énergie et déclenchent les réactions chimiques nécessaires aux cellules des plantes. La physique classique n'explique pas l'efficacité presque parfaite de ce mécanisme. En 2014 Alexandra Olaya-Castro et Edward O'Reilly ont montré que les chromophores utilisent bel et bien des processus quantiques. Une superposition d'état quantiques à température ambiante assistant un transfert cohérent d'énergie. Dans un monde quantique, une particule prend tous les chemins à la fois, les champs électromagnétiques au sein des cellules végétales peuvent entraîner l'annulation mutuelle de certaines de ces trajectoires et en renforcer d'autres, augmentant les chances que l'électron soit aiguillé directement vers le centre de réaction. L'intrication de ces chemins (états de position) possible durerait une fraction de seconde et ferait intervenir des molécules ne renfermant pas plus de 100 000 atomes. La question de savoir s'il existe des cas d'intrication plus vaste et persistant dans la nature fît naître une nouvelle discipline : la biologie quantique.

Il y a vingt ans le mathématicien Roger Penrose et le biologiste Stuart Hameroff proposèrent un modèle où les microtubules de nos neurones abriteraient des états quantiques résistants à la décohérence. Hypothèse contestée mais intrigante.

Pour Schrödinger un chat mort et vivant était une absurdité ; une théorie générant cette prédiction devait être défectueuse. Longtemps les physiciens furent perturbés par cette expérience et pensaient que la théorie quantique cessait de s'appliquer à grande échelle. Il semble pourtant que la frontière entre le monde classique et le monde quantique n'est pas fondamentale. Que cette dernière s'applique à toutes les échelles nous oblige à nous confronter aux questions posées par son interprétation. Nous ne pouvons plus les limiter aux petites échelles. L'espace et le temps par exemple sont des concepts fondamentaux qui jouent un rôle secondaire en physique quantique. L'intrication lie entre eux des systèmes sans référence à l'espace ou au temps. Peut-être faudrait-il expliquer ceux-ci comme des phénomènes émergeant d'une physique fondamentale dénuée de cadre spatio temporel.

Idée qui pourrait aider à réconcilier la physique quantique avec la théorie de la relativité générale, laquelle suppose que les objets ont des positions bien définies et ne sont jamais à plus d'un endroit à la fois, en contradiction avec la physique quantique. Des physiciens, dont Stephen Hawking, de Cambridge, pensent que la théorie de la relativité doit céder la place à une théorie plus profonde dans laquelle temps et espace n'existent pas. L'espace-temps classique émergeant de l'intrication quantique par le processus de décohérence. Une autre possibilité serait que la gravitation ne soit pas une force mais le bruit résiduel de l'action des autres forces de l'Univers engendra par le caractère flou des phénomènes quantique. Idée de ''gravitation induite'' remontant aux années 1960 et à Andreï Sakharov. Dans ce cas la gravitation ne serait plus une force et les recherches pour la quantifier seraient vains. Au niveau quantique la gravitation pourrait même ne pas exister. Implications plaçant les physiciens dans un état intriqué de confusion et d'émerveillement.