Quelques informations sur le Quantique

L’intrication quantique permet d’obtenir des oscillations atomiques plus cohérentes et plus précises. Et donc une bien meilleure mesure du temps qu’avec des horloges atomiques classiques.

Des chercheurs du MIT ont conçu un nouveau type d’horloge atomique, mille fois plus précise que celles utilisées aujourd’hui, capables peut-être de capter des phénomènes échappant aux théories fondamentales actuelles. « Cohérence quantique » et « horloge atomique« , ça sonne compliqué. Mais cela l’est pas !

Simplifions les choses et allons à l’essentiel. Surtout que l’amélioration des horloges atomiques est la condition sine qua non pour mesurer des phénomènes au-delà de notre physique connue comme la relativité et la mécanique quantique. Les horloges atomiques classiques, celles « à fontaine de césium », peuvent atteindre une précision temporelle de l’ordre de 10^-16, soit une seconde (1 s) bien déterminée jusqu’à la 16e décimale après la virgule – il faut 150 millions d’années pour que deux horloges de ce type (le meilleur modèle) se désynchronisent ; c’est déjà impressionnant !
Mais ici, on ne parle pas de ce type d’horloge – qui aide à synchroniser Internet, le GPS et notre vie quotidienne. On est dans la prochaine génération, celle qui rajoute 3 zéros aux décimales (10^-19) et qui ne se désynchronise qu’en 15 milliards d’années – alors que l’Univers n’en a que 13,8 ! Il s’agit des horloges atomiques « optiques », avec déjà des prototypes fonctionnels dans quelques labos.

Pendant environ 35 ans, Einstein a cherché une théorie unifiée de la matière, de l’espace-temps, de la force de gravitation avec la force électromagnétique, également en mesure d’expliquer les phénomènes quantiques. Depuis presque 50 ans, cette quête aux implications philosophiques profondes a été reprise. Dans son dernier ouvrage, le célèbre astrophysicien Jean-Pierre Luminet nous parle des sept chemins explorés à ce sujet pour atteindre le Graal d’une théorie quantique de la gravitation.

La ré-ouverture des librairies est prévue alors profitez-en pour acquérir L’écume de l’espace-temps, de Jean-Pierre Luminet, paru en octobre 2020 aux éditions Odile Jacob. Comme l’explique la vidéo ci-dessous, « le livre traite de la gravitation quantique et de ses différentes approches pour tenter de résoudre un certain nombre de difficultés de la physique actuelle : unifier la relativité générale et la mécanique quantique, éliminer les singularités gravitationnelles, comprendre la nature de la matière noire et l’énergie sombre, le paradoxe de l’information lié aux trous noirs, le rôle du vide quantique, le multivers, l’avant Big Bang, etc.

Les sept approches discutées sont la gravité quantique à boucles, la théorie des cordes, la géométrie non-commutative, les ensembles causaux, la gravité à sécurité asymptotique, les triangulations dynamiques causales et la gravité émergente. À part les deux premières, aucune n’avait jusqu’à présent fait l’objet d’une divulgation pour le grand public ».

On doit l’ouvrage à une personnalité bien connue des passionnés de la physique des trous noirs et des univers chiffonnés qu’ils vont tout de suite reconnaître alors qu’il le présente lui-même. Pour ceux qui ont le temps et la volonté d’en savoir plus après cette vidéo, voici de quoi mettre l’ouvrage un peu en perspective et même d’en découvrir certaines parties en attendant la levée partielle du second confinement de l’année 2020.

La philosophie naturelle, une clé fondamentale de la philosophie

Pourquoi y-a-t-il quelque chose plutôt que rien ? Quelle est la place de l’Homme dans la nature ? Ces questions sont philosophiques et elles étaient l’objet des réflexions des penseurs grecs, qu’ils soient présocratiques ou non, mais également et peut-être même surtout des rishis védiques de l’Inde à qui l’on doit les Upanishads. Toutefois, les Grecs semblent avoir été les premiers à comprendre qu’il fallait, pour espérer résoudre ces questions, combiner la vision intuitive à priori de l’esprit humain, stimulée et inspirée par l’expérience poétique des phénomènes naturels, avec le mysticisme et les exigences de la pensée rationnelle et mathématique, tout aussi à priori, cherchant une partie des réponses via la partie de la philosophie que l’on appelait encore du temps de Newton la philosophie naturelle.

L’acmé de cette conception peut sans aucun doute être trouvée dans les dialogues de Platon, la République et le Timée en particulier, et son importance est telle que, comme le disait déjà le philosophe et mathématicien Alfred North Whitehead dans son célèbre ouvrage Process and Reality, « la caractérisation générale la plus sûre de la tradition philosophique européenne est qu’elle consiste en une série de notes de bas de page à Platon ».

C’est encore particulièrement explicite dans les œuvres et les textes des fondateurs de la physique moderne — d’Einstein à Oppenheimer en passant par Heisenberg (My mind was formed by studying philosophy, Plato and that sort of thing), Pauli et Schrödinger — qui, sans aucun doute également, ont produit la physique moderne comme un écho à ce que disait déjà Archytas de Tarente, le grand mathématicien, astronome, ingénieur et philosophe pythagoricien ami de Platon : « On peut dire que la philosophie est le désir de savoir et de comprendre les choses elles-mêmes, uni à la vertu pratique, inspiré par l’amour de la science et réalisé par elle. Le commencement de la philosophie est la science de la nature ; le milieu, la vie pratique ; le terme, la science même ».

Toutes ces considérations n’ont pour but que d’aider à faire comprendre pourquoi la quête d’une théorie quantique de la gravitation et d’une synthèse des lois de la physique, qui devrait culminer avec une unification de nos théories de la matière, de l’espace-temps et des forces, fascine les physiciens car, comme le disait le physicien Peter Bergmann, collaborateur d’Albert Einstein et pionnier d’une théorie quantique de la gravitation : « Sous bien des aspects, le physicien théoricien n’est qu’un philosophe en habit d’ouvrier ».

Philosophie et physique se recontrent à l’échelle de Planck

Toute l’évolution de l’Univers est gouvernée « ultimement » par une théorie quantique de la gravitation unifiant toutes les forces et les particules de matière connues. Une telle théorie devrait permettre, ou pour le moins on l’espère, de comprendre la phase très primitive du cosmos primordial et sa structure générale, de sorte qu’il serait sans doute possible de déterminer si l’apparition de la vie et de la conscience ne sont que des épiphénomènes produits d’un multivers totalement aléatoire, jouant sans but ni finalité avec les formes de l’espace-temps et la matière qu’il contient de toute éternité ou si une hypothèse contraire doit être considérée et étudiée comme l’ont proposé certains physiciens favorables à la thèse du principe anthropique fort — pour les curieux lisant l’anglais, il existe un remarquable ouvrage traitant du principe anthropique : The anthropic cosmological principle, de John Barrow et Franck Tipler.

Le cosmologiste Andrei Linde a même spéculé sur une éventuelle unification non seulement de la matière avec l’espace-temps de la gravitation quantique mais aussi une unification ultime avec une physique de l’esprit encore à découvrir (voir à la fin de son livre Particle Physics and Inflationary Cosmology p. 230-232 ). Il est intéressant de rapprocher les idées de Linde à ce sujet avec les spéculations du prix Nobel de physique Roger Penrose en ce qui concerne une théorie de la conscience, cette dernière faisant intervenir des effets de gravitation quantique au niveau notamment de ce que les physiciens appellent la structure en écume de l’espace-temps depuis le célèbre physicien John Wheeler. On sait que Pauli était lui aussi intensément préoccupé par une théorie unifiant l’esprit et la matière.

En tout cas, Penrose a démontré au milieu des années 1960 — sous certaines conditions très raisonnables et, en fait, qui semblent inévitables en pratique — qu’une étoile ayant épuisé son carburant nucléaire et qui est assez massive doit s’effondrer en donnant un trou noir ; il a aussi démontré que, dans le cadre des équations de la théorie de la relativité générale, une singularité de l’espace-temps doit se produire à l’intérieur de ce trou noir, singularité où la courbure de l’espace et la densité de la matière doivent devenir infinies et ne plus permettre aucune prédiction quant à l’état final de l’effondrement de l’espace-temps-matière de la relativité générale.

Plus tard, Penrose va faire équipe avec Stephen Hawking pour démontrer qu’une singularité de l’espace-temps doit aussi être présente dans la théorie d’Einstein quand on l’applique pour construire le modèle cosmologique du Big Bang qu’elle implique. Ce n’est en fait pas très étonnant. La géométrie de l’espace-temps à l’intérieur d’une étoile qui s’effondre gravitationnellement est très similaire à celle de l’espace-temps dans un modèle de type Big Bang en inversant le sens du cours du temps, l’effondrement devenant expansion à partir d’une singularité initiale. Mais c’est un désastre parce que cela veut dire que nous ne pouvons pas comprendre vraiment ce qui détermine la naissance du cosmos observable et donc pourquoi il possède les caractéristiques que l’on constate concernant sa structure et son évolution.

Or, dans les deux cas, Big Bang et trou noir, on se retrouve avec un espace-temps plus petit qu’un atome au voisinage de la singularité, ce qui veut dire que l’on doit appliquer la théorie des objets physiques de l’échelle d’un atome et donc la théorie quantique. Comme l’a expliqué John Wheeler, une combinaison de la théorie quantique avec la théorie de la relativité générale devrait conduire à une cosmologie quantique ; elle implique aussi qu’à très courtes échelles de temps et d’espace, celles dites de Planck, si l’on compare comme il est d’usage le comportement de l’espace-temps à celui d’un fluide, celui-ci devient très turbulent avec l’équivalent des bulles et des mousses qui se forment avec l’écume des vagues.

Les sept piliers de la sagesse quantique

Malheureusement, la quête d’une théorie quantique de la gravitation s’est trouvée être plus difficile qu’on ne l’imaginait. Plusieurs théories ont été proposées dans ce but et les plus médiatiques sont celles de la théorie des supercordes et celles de la gravitation quantique à boucles. Mais il en existe d’autres comme celle basée sur la géométrie non-commutative du lauréat de la Médaille Fields, le Français Alain Connes ou encore celle des triangulations dynamiques causales. Ces théories unifiées et de gravitation quantiques font parfois des prédictions susceptibles de résoudre les mystères associés en physique à l’existence postulée de la matière et de l’énergie noire. Elles peuvent avoir des implications sur le concept de multivers et donc, comme on l’a déjà fait remarqué, sur les questions liées au principe anthropique et donc à la place de l’Homme, et plus prosaïquement du vivant, dans les arcanes de l’évolution cosmique.

Jean-Pierre Luminet est bien connu des lecteurs de Futura, notamment par les interviews qu’il nous a accordées et le blog de Futura qu’il tient, sans oublier ses nombreux ouvrages de vulgarisation sur la physique des trous noirs, l’histoire des sciences portant sur l’invention du Big Bang ou la place de l’infini en physique et cosmologie ; Jean-Pierre Luminet est tout aussi connu pour ses travaux de pionnier sur l’astrophysique des trous noirs, de la première image de leur aspect calculée sur ordinateur à l’occurrence des crêpes stellaires et qui ont donné lieu à des observations couronnées de succès, comme le prouve celui de la collaboration Event Horizon Telescope.

Tout comme Einstein ou Heisenberg, Jean-Pierre Luminet est également musicien, ce qui ne peut surprendre quand on sait qu’il y a plus de 2000 ans, Archytas disait déjà qu’astronomie, mathématique et musique étaient des disciplines sœurs. Tout comme Einstein, Heisenberg, Schrödinger et Pauli également, ses travaux ne sont pas sans interactions avec la littérature, la philosophie et plus généralement l’art.

Son dernier ouvrage paru chez Odile Jacob en porte les marques et, tout en explorant la quête du monde de la gravitation quantique et de l’unification de la physique dans ses aspects pas forcément connus du grand public, c’est aussi un vibrant plaidoyer pour une conception et une pratique de la science qui a fait ses preuves de Kepler à Penrose, bien éloignées des descriptions arides d’une certaine philosophie positiviste ou des bouffonneries indigentes d’un Heidegger qui prétendait que la science ne pensait pas alors que lui-même en était incapable ; pour preuve et sans équivoque, le fait qu’il était toujours membre, en avril 1942, de la Commission pour la philosophie du droit, une instance nazie, comme l’a montré il y a quelques années la philosophe Sidonie Kellerer.

Il y a quelques mois, Jean-Pierre Luminet avait lu quelques extraits de son ouvrage sur YouTube en attendant sa parution différée. Le livre est finalement sorti mais, en attendant la réouverture des librairies, vous pouvez déjà patienter et vous faire une idée de son contenu en visionnant certaines de ces vidéos. En voici deux choisies par Futura.

La première introduite aux travaux issus des années 1950-1960 relevant initialement de ce que l’on appelle l’approche canonique de la gravitation quantique et qui a conduit à la gravitation quantique à boucles, puis à la cosmologie quantique à boucles qui permet d’éliminer la singularité cosmologique initiale du Big Bang et même d’imaginer un avant Big Bang.

De la gravitation quantique à boucles à la géométrie non-commutative

La théorie de la gravitation quantique à boucles suggère que l’espace-temps pourrait être discontinu, qu’est-ce que cela pourrait changer à nos idées sur l’unification de la physique ?

Dans le dernier appendice de son célèbre ouvrage The meaning of relativity, Albert Einstein exposait les résultats de sa quête obstinée d’une unification des lois de la physique à partir d’une généralisation des équations de la relativité générale. Matière et champs de forces devaient être la manifestation d’une nouvelle géométrie de l’espace-temps courbe. Il caressait l’espoir de pouvoir également en dériver une version plus profonde de la mécanique quantique, complètement déterministe et basée sur un champ continu.

Lucide, le génial père de la théorie de la relativité générale n’en terminait pas moins pour autant son appendice par cette déclaration : « On peut donner de bonnes raisons pour expliquer pourquoi la réalité ne peut pas du tout être représentée par un champ continu. Il semble résulter avec certitude des phénomènes quantiques qu’un système fini d’énergie finie peut complètement être décrit par une série finie de nombres (nombres quantiques). Ceci ne paraît pas être en accord avec une théorie du continu et doit conduire à un essai en vue de trouver une théorie purement algébrique pour la description de la réalité. Mais personne ne sait comment obtenir la base d’une telle théorie. »

Ces mots datent de 1954 et ils apparaissent comme prophétiques et comme un nouveau tribut au génie d’Einstein lorsque l’on prend connaissance des travaux du mathématicien Alain Connes concernant les applications possibles de sa théorie de la géométrie non-commutative aux problèmes de l’unification des lois de la physique.

Futura avait consacré plusieurs articles à cette géométrie et, dans son ouvrage, Jean-Pierre Luminet traite lui aussi des théories d’Alain Connes. En voici ci-dessus des extraits dans une seconde vidéo.

La saga de la quête de la gravitation quantique est loin d’être terminée et aujourd’hui, nous avons encore moins de raisons d’être en désaccord avec l’esprit de ce que disait déjà le grand mathématicien Hermann Weyl en conclusion de son célèbre cours sur la théorie de la relativité, juste avant le début des années 1920 :

« Celui qui mesure le chemin parcouru, depuis la métrique euclidienne jusqu’au champ métrique variable dépendant de la matière et renfermant les manifestations de la gravitation et de l’électromagnétisme, celui qui cherche à embrasser d’un coup d’œil ce que notre exposé a forcément fragmenté et morcelé, celui-là doit éprouver un sentiment de liberté, comme s’il sortait d’une cage où il était enfermé jusqu’ici ; il doit être pénétré de la certitude que notre raison n’est pas seulement un pis-aller humain, par trop humain, pour la lutte pour la vie, mais qu’elle s’est développée malgré toutes les embûches et les errements jusqu’au point où elle peut embrasser objectivement la vérité. Quelques-uns des accords puissants de cette harmonie des sphères auxquels Pythagore et Kepler rêvaient, sont parvenus à nos oreilles ».

On peut cependant continuer à souscrire aussi à cette déclaration d’Albert Einstein après ses 50 ans de rumination constante sur le monde quantique.

« Une chose que j’ai apprise au cours d’une longue vie c’est que toute notre science, mesurée par rapport à la réalité, est primitive et enfantine. Et pourtant, c’est la chose la plus précieuse que nous ayons ».

« https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/cosmologie-gravite-quantique-ecume-espace-temps-cle-big-bang-vivant-27786/

Article de Laurent Sacco publié le 07/02/2011

Préparez-vous à entreprendre un grand voyage dans l’espace et dans le temps, pour suivre la croissance de la complexité dans l’univers observable, en compagnie des astrophysiciens Jean-Pierre Luminet et Hubert Reeves. Sur le site Internet Du Big Bang au Vivant, ils répondent à plusieurs questions que vous pouvez vous poser sur le cosmos et l’origine de la vie.

« Je suis né dans un environnement, je ne sais pas d’où je suis venu ni où je vais ni qui je suis. C’est ma situation comme la vôtre, à chacun d’entre vous. Le fait que chaque Homme ait toujours été dans cette même situation et s’y trouvera toujours ne m’apprend rien. Tout ce que nous pouvons observer nous-mêmes à propos de la brûlante question relative à notre origine et notre destination, c’est l’environnement présent.

C’est pourquoi nous sommes avides de trouver à son sujet tout ce que nous pouvons. Voilà en quoi consiste la science, le savoir, la connaissance, voilà quelle est la véritable source de tout effort spirituel de l’Homme. Nous essayons de découvrir tout ce que nous pouvons au sujet du contexte spatial et temporel dans lequel notre naissance nous a situés. Et dans cet effort, nous trouvons de la joie, nous le trouvons extrêmement intéressant (ne serait-ce pas là le but pour lequel nous sommes ici ?). ».

L’un des pères de la mécanique quantique, le prix Nobel de physique Erwin Schrödinger. Sa mécanique des ondes de matière gouvernées par l’équation portant son nom a permis de comprendre les propriétés des atomes et des molécules. Il a découvert avec Einstein, en 1935, le phénomène d’intrication quantique impliqué par son équation. Erwin Schrödinger était aussi un passionné de philosophie, en particulier celle du vedanta. © Cern

Telle était la thèse soutenue par Erwin Schrödinger en 1950 dans une des quatre conférences publiques intitulées  « La science comme élément constitutif de l’Humanisme ». L’un des fondateurs de la mécanique quantique, ayant travaillé aussi bien à l’élucidation de la nature de la vie qu’à l’apparition de la matière dans un modèle de cosmologie relativiste, il ajoutait même :

« La connaissance isolée qu’a obtenue un groupe de spécialistes dans un champ étroit n’a en elle-même aucune valeur d’aucune sorte ; elle n’a de valeur que dans la synthèse qui la réunit à tout le reste de la connaissance et seulement dans la mesure où elle contribue réellement, dans cette synthèse, à répondre à la question : Qui sommes-nous ?  »

Nous savons désormais que nous sommes au moins des poussières d’étoiles selon l’expression souvent utilisée par Hubert Reeves et nous vivons peut-être dans un univers à l’espace-temps chiffonné, comme le propose Jean-Pierre Luminet.

Rendre compte des progrès en cosmologie, astrophysique et exobiologie

Depuis environ quarante ans, la cosmologie a considérablement progressé. Avec le modèle de concordance basé sur la matière noire et l’énergie noire, elle a atteint le stade de la précision. Grâce à l’exploration du Système solaire par les sondes Voyager et Cassini, faisant suite au projet Apollo, et surtout avec les découvertes d’exoplanètes qui se multiplient, l’exobiologie est elle aussi en train de prendre son essor. On attend beaucoup des missions Corot et Kepler et le programme Seti pourrait un jour nous réserver de belles surprises.

Malheureusement, si ces progrès ont largement été relayés depuis une dizaine d’années auprès du grand public dans les pays anglo-saxons (par des chaînes comme la BBC et Discovery Channel), l’équivalent d’une telle vulgarisation n’existait pas dans les pays francophones.

Jean-Pierre Luminet, la productrice Iolande Cadrin‐Rossignol et le réalisateur Denis Blaquière ont donc décidé, il y a quatre ans, de relever le défi en compagnie d’Hubert Reeves et d’autres scientifiques. Grâce au soutien du Groupe ECP, ils ont donc développé un projet multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine. Dernièrement, Futura-Sciences s’est trouvé associé à cette entreprise comme partenaire média.

Une multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine

Du Big Bang au Vivant, ce n’est pas simplement un site Web, une chaîne sur YouTube ou une page sur Facebook (qui permettent d’entreprendre un voyage dans le cosmos en remontant dans le temps, des premiers développements de la vie sur Terre au plasma chaud de l’univers primordial). C’est aussi un long métrage de 90 minutes déjà sorti au Québec (et qui devrait sortir en France) et une série documentaire (2 fois 52 minutes) dont le DVD et le CD de la trame sonore (avec une musique de Christian Thomas) devraient bientôt être disponibles.

Sur le site lui-même, plusieurs courtes vidéos, dont certaines sont extraites du long métrage, permettent de répondre à de nombreuses questions que tout un chacun peut se poser sur l’univers, son Histoire et plus généralement, l’astrophysique, la cosmologie et l’exobiologie.

Le laisse aussi des portraits de Jean-Pierre Luminet, Hubert Reeves, Annie Baglin qui travaille sur la mission Corot ou encore Edward Stone, l’un des principaux chercheurs impliqués dans la mission des sondes Voyager. Ils ne sont pas les seuls scientifiques à intervenir, on peut voir des contributions de Norbert Bartel, René Doyon, Christian Marois, Olivier Daigle, Sébastien Blais-Ouellette, Chris Herd et Richard Ellis.

Voici quelque-unes des questions abordées sur le site :

• Qu’est-ce qu’un trou noir ?
• Sommes-nous seuls dans l’univers ?
• Vers une théorie unique pour comprendre l’univers ?

Le site devrait encore évoluer dans le futur. Nous aurons l’occasion d’y revenir, notamment avec une interview de Jean-Pierre Luminet.

Une avancée majeure dans la recherche sur l’informatique quantique

Les recherches dans le monde de l’informatique quantique progressent à grand pas, de nombreux problèmes de taille restent à résoudre. Le « bruit » en fait partie. C’est pour les scientifiques le plus grand problème pour le développement des ordinateurs quantiques. Une nouvelle étude montre que des chercheurs ont justement découvert un moyen de traiter ce « bruit » pour mieux contrôler et développer de nouveaux systèmes d’informatique quantique.

Des chercheurs pensent pouvoir réduire ce fameux « bruit »

Objectif : accélérer le développement des premiers ordinateurs quantiques à grande échelle. Nous savons que les ordinateurs quantiques vont changer la façon dont nous utilisons Internet et les calculateurs, en permettant de résoudre des problèmes qui sont impossibles à résoudre avec les ordinateurs que nous utilisons de nos jours. Seulement, pour atteindre ce niveau, les ordinateurs quantiques devront avoir un « bruit » suffisamment faible pour fonctionner. Plus précisément, le « bruit » c’est la probabilité que des erreurs affectent le résultat d’un processus. Ce « bruit » violerait certains théorèmes fondamentaux du calcul, dont la théorie de l’informatique sur la puissance des dispositifs de calcul primitifs.

En bref, il est le résultat des erreurs qui sont introduites lorsque les scientifiques quantiques manipulent les « qubits » qui alimentent un ordinateur quantique. Concrètement, le « bruit » doit être éliminé avant qu’un système puisse être utilisé de manière fiable.

La solution : un algorithme

Depuis plusieurs années les scientifiques cherchent donc à comprendre comment le « bruit » fonctionne. Les nouvelles recherches publiées dans Nature Physics, montrent qu’un algorithme est capable de diagnostiquer avec succès le « bruit » présent dans un système quantique. Testé sur l’IBM Quantum Experience, cet algorithme s’est montré satisfaisant.

Ce nouvel algorithme permet donc aux scientifiques de mieux détecter le « bruit » présent dans un système quantique et de définir avec précision sa localisation. Une telle technologie doit permettre aux chercheurs d’inclure des dispositifs capables de mieux corriger les erreurs dans les futurs ordinateurs quantiques grand public.  Ce protocole ouvre une myriade de possibilités pour de nouveaux outils de diagnostic et des applications pratiques. Cet algorithme pourrait être utilisé de diverses manières pour rendre les ordinateurs quantiques plus performants dans le traitement du bruit qu’ils génèrent. Les résultats sont la première mise en œuvre d’algorithmes de diagnostic dont la rigueur et l’évolutivité ont été prouvées et qui peuvent être exécutés sur les dispositifs quantiques actuels et au-delà.

Dans le monde entier des scientifiques travaillent sur un internet quantique pour communiquer par téléportation. Mais qu’est-ce que l’internet quantique, quand sera-t-il prêt, et qui l’utilisera ?

Quel type d’information peut-on échanger avec l’internet quantique ?

Le fait que les qubits, qui exploitent les lois fondamentales de la mécanique quantique, se comportent très différemment des bits classiques est au cœur de la communication quantique. Un bit classique ne peut en fait être que l’un des deux états, 1 ou 0. Tout comme un interrupteur doit être allumé ou éteint, et tout comme un chat doit être soit mort soit vivant, un bit doit être soit 0 soit 1.

Avec des qubits, c’est différent. Les qubits sont plutôt superposés : ils peuvent être 0 et 1 simultanément, dans un état quantique spécial qui n’existe pas dans le monde classique. C’est un peu comme si vous pouviez être à la fois à gauche et à droite de votre canapé, au même moment. Le paradoxe est que le simple fait de mesurer un qubit signifie qu’on lui attribue un état. Un qubit mesuré tombe automatiquement de son double état, et est relégué à 0 ou 1, comme un bit classique.

Le phénomène s’appelle la superposition, et se trouve au cœur de la mécanique quantique.

Il n’est pas surprenant que les qubits ne puissent pas être utilisés pour envoyer le type de données que nous connaissons, comme les courriels et les messages WhatsApp. Mais le comportement étrange des qubits ouvre d’énormes possibilités dans d’autres applications plus spécialisées.

Des communications quantiques plus sûres

L’une des pistes les plus passionnantes que les chercheurs, armés de qubits, explorent, est la sécurité. En ce qui concerne les communications classiques, la plupart des données sont sécurisées en distribuant une clé commune à l’expéditeur et au destinataire, puis en utilisant cette clé commune pour chiffrer le message. Le destinataire peut ensuite utiliser sa clé pour décoder les données à son tour.

La sécurité de la plupart des communications classiques d’aujourd’hui repose sur un algorithme de création de clés que les pirates informatiques ont du mal à déchiffrer. Mais il n’est pas impossible de la faire. C’est pourquoi les chercheurs étudient ce processus de communication « quantique ». Ce concept est au cœur d’un domaine émergent de la cybersécurité appelé distribution de clés quantiques (QKD – quantum key distribution).

Le QKD fonctionne en demandant à l’une des deux parties de chiffrer une donnée classique en codant la clé de cryptographie sur des qubits. L’expéditeur transmet ensuite ces qubits à l’autre personne, qui les mesure afin d’obtenir les valeurs de la clé. La mesure entraîne l’effondrement de l’état du qubit ; mais c’est la valeur qui est lue pendant le processus de mesure qui est importante. Le qubit, d’une certaine manière, n’est là que pour transporter la valeur clé.

Plus important encore, le QKD signifie qu’il est facile de savoir si une tierce partie a inspecté les qubits pendant la transmission, puisque l’intrus aurait fait s’effondrer la clé simplement en la regardant. Si un hacker examinait les qubits à un moment quelconque de leur envoi, cela changerait automatiquement l’état des qubits. Un espion laisserait inévitablement derrière lui un signe d’écoute – c’est pourquoi les cryptographes soutiennent que le QKD est « manifestement » sûr.

Alors, qu’est ce qu’un internet quantique ?

La technologie de QKD n’en est qu’à ses débuts. La manière « habituelle » de créer des QKD consiste actuellement à envoyer des qubits de manière unidirectionnelle au récepteur, par le biais de câbles de fibres optiques ; mais cela limite considérablement l’efficacité du protocole.

Les quubits peuvent facilement se perdre ou se disperser dans un câble de fibre optique, ce qui signifie que les signaux quantiques sont très sujets à erreur et qu’ils ont du mal à parcourir de longues distances. Les expériences actuelles sont en fait limitées à une portée de plusieurs centaines de kilomètres.

Il existe une autre solution, et c’est celle qui sous-tend l’internet quantique : exploiter une autre propriété du quantum, appelée intrication, pour communiquer entre deux dispositifs.

Lorsque deux qubits interagissent et s’entremêlent, ils partagent des propriétés particulières qui dépendent l’une de l’autre. Lorsque les qubits sont dans un état d’enchevêtrement (ou d’intrication), toute modification d’une particule de la paire entraîne des modifications de l’autre, même si elles sont physiquement séparées.

L’état du premier qubit peut donc être « lu » en observant le comportement de son homologue enchevêtré. C’est exact : même Albert Einstein a qualifié l’ensemble d' »action effrayante à distance ». Et dans le contexte de la communication quantique, l’intrication pourrait en effet, téléporter certaines informations d’un qubit à son autre moitié enchevêtrée, sans qu’il soit nécessaire de disposer d’un canal physique reliant les deux pendant la transmission.

Extrait de l’article : Qu’est-ce que l’internet quantique ?
Publié sur ZDNet le 3 septembre 2020
Par Daphne Leprince-Ringuet

Le modèle de Hubbard est un modèle étudié en théorie de la matière condensée et un problème quantique redoutable. Une équipe de physiciens a utilisé le deep learning pour condenser ce problème qui nécessitait auparavant 100 000 équations, en seulement quatre équations, sans sacrifier la précision. L’étude intitulée « Deep Learning the Functional Renormalization Group » a été publiée le 21 septembre 2022 dans Physical Review Letters.

La recherche

Dominique Di Sante est l’auteur principal de cette étude. Depuis 2021, il occupe le poste de Professeur adjoint (tenure track) au Département de physique et d’astronomie, à l’Université de Bologne. Parallèlement, il est Professeur invité au Centre de physique quantique computationnelle (CCQ) du Flatiron Institute, à New York dans le cadre d’une bourse « Actions Marie Sklodowska-Curie » (MSCA) qui encourage entre autres la mobilité des chercheurs.

Avec des collègues du Flatiron Institute et d’autres chercheurs internationaux, il a mené cette étude qui a le potentiel de révolutionner la façon dont les scientifiques étudient les systèmes contenant de nombreux électrons en interaction. En outre, s’il réussissent à adapter cette méthode à d’autres problèmes, l’approche pourrait contribuer à la conception de matériaux possédant des propriétés recherchées, par exemple la supraconductivité, ou concourant à une production d’énergie propre.

Le modèle de Hubbard

Ce modèle étudié en théorie de la matière condensée a été introduit par John Hubbard en 1963. Il décrit des fermions (généralement des électrons) sur un réseau (en général les atomes qui forment un solide), qui interagissent seulement quand ils se trouvent sur le même site (c’est-à-dire sur le même atome).

Avec l’utilisation de cette configuration, les scientifiques peuvent découvrir comment le comportement des électrons donne lieu à des phases souhaitées de la matière, telles que la supraconductivité, dans laquelle les électrons se déplacent à travers un matériau sans résistance. Le modèle est également utilisé pour tester de nouvelles méthodes avant de les appliquer à des systèmes quantiques plus complexes.

Le modèle de Hubbard est cependant d’une simplicité trompeuse. S’il est possible de le résoudre pour une seule dimension, au-delà, il n’existe pas de solution exacte.

D’autre part, même pour un petit nombre d’électrons et des approches informatiques de pointe, le problème nécessite une puissance de calcul sérieuse. En effet, lorsque les électrons interagissent, leurs destins peuvent devenir intriqués mécaniquement quantiquement : bien qu’éloignés sur différents sites de réseau, les électrons ne peuvent pas être traités individuellement, de sorte que les physiciens doivent traiter tous les électrons à la fois plutôt qu’un par un. Avec plus d’électrons, plus d’intrications apparaissent, et le défi informatique devient exponentiellement plus difficile…

Groupe de renormalisation et deep learning

Une façon d’étudier un système quantique est d’utiliser ce qu’on appelle un groupe de renormalisation. Introduit en 1963, ce dernier a été développé principalement par Kenneth Wilson, qui a reçu le prix Nobel en 1982 pour ses contributions. Il s’agit d’un ensemble complexe de transformations qui démontre comment le comportement collectif observé dans les systèmes critiques peut résulter d’interactions microscopiques et a notamment joué un rôle crucial dans l’étude des transitions de phase.

Les physiciens l’utilisent pour examiner comment le comportement d’un système, tel que le modèle de Hubbard, change lorsque les scientifiques modifient des propriétés telles que la température ou examinent les propriétés à différentes échelles. Malheureusement, un groupe de renormalisation garde une trace de tous les couplages possibles entre les électrons et peut contenir des centaines de milliers voire des millions d’équations individuelles qui doivent être résolues.

Di Sante et ses collègues ont décidé d’utiliser le deep learning pour mieux gérer le groupe de renormalisation. Au départ, le réseau de neurones crée des connexions au sein du groupe de renormalisation en taille réelle, puis ajuste les forces de ces connexions jusqu’à ce qu’il trouve un petit ensemble d’équations qui génère la même solution que le groupe de renormalisation original. La sortie du programme a capturé la physique du modèle hubbard  avec seulement quatre équations.

L’entraînement de l’algorithme de deep learning a pris de longues semaines. La bonne nouvelle, selon Di Sante, c’est que maintenant qu’ils ont leur programme coaché, ils peuvent l’adapter pour travailler sur d’autres problèmes sans avoir à repartir de zéro. Lui et ses collaborateurs étudient également ce que l’apprentissage automatique « apprend » réellement sur le système, ce qui pourrait fournir des informations supplémentaires qui pourraient autrement être difficiles à déchiffrer pour les physiciens.

Source : L’IA permet de réduire un problème quantique de 100 000 équations à seulement 4 équations
Publié sur ActuIA le 3 octobre 2022

Researchers develop new method embedding atoms one-by-one to build quantum chip

Cette nouvelle technique consistant à intégrer les atomes un par un ouvre la voie au développement de dispositifs à grande échelle, plus abordables et plus fiables.

Une équipe de chercheurs a mis au point une nouvelle technique de construction en silicium qui pourrait potentiellement améliorer l’accessibilité financière et la fiabilité de la construction d’ordinateurs quantiques.

Cette nouvelle technique, mise au point conjointement par des chercheurs de l’Université de Melbourne, de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud et de l’Institut royal de technologie de Melbourne en Australie, ainsi que du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf et de l’Institut Leibniz d’ingénierie des surfaces en Allemagne, consiste à intégrer avec précision des atomes uniques, un par un, dans des tranches de silicium.

Selon les chercheurs, la technique, qui a été publiée dans un article « Advanced Materials« , tire parti de la précision du microscope atomique, qui possède un cantilever pointu qui « touche » la surface d’une puce avec une précision de positionnement de seulement un demi-nanomètre, ce qui correspond à peu près à l’espace entre les atomes dans un cristal de silicium. Les chercheurs décrivent comment un minuscule trou a été percé dans le cantilever, de sorte que, lorsqu’il est arrosé d’atomes de phosphore, l’un d’entre eux tombe parfois à travers le trou et s’incruste dans le substrat de silicium.

L’un des aspects essentiels est de savoir précisément quand un atome s’enfonce dans le substrat, afin que le cantilever puisse se déplacer vers la position précise suivante sur le réseau.

L’article note que jusqu’à présent, l’implantation d’atomes dans le silicium était un processus aléatoire. En effet, lorsqu’une puce de silicium était arrosée de phosphore, un atome tombait de manière aléatoire, comme des gouttes de pluie sur une fenêtre. Cependant, l’équipe a découvert qu’elle pouvait identifier la précision grâce à un « clic » sonore qui se produit lorsqu’un atome tombe dans le cristal de silicium.

« Un atome qui entre en collision avec un morceau de silicium produit un clic très faible, mais nous avons inventé une électronique très sensible utilisée pour détecter le clic : il est très amplifié et donne un signal fort et fiable », explique David Jamieson, professeur à l’université de Melbourne et auteur principal. « Cela nous permet d’être très confiants dans notre méthode. Nous pouvons dire : « oh, il y a eu un déclic. Un atome vient d’arriver. Maintenant, nous pouvons déplacer le cantilever vers le prochain endroit et attendre le prochain atome ». »

L’article complet : Des chercheurs imaginent une nouvelle méthode pour construire une puce quantique
Publié sur ZDNet France le 12 janvier 2022

A team of researchers have developed a new silicon construction technique that could potentially improve the affordability and reliability of building quantum computers.

The new technique — jointly developed by researchers from Australia’s University of Melbourne, University of New South Wales (UNSW) and RMIT, and Germany’s Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf and Leibniz Institute of Surface Engineering — involves precisely embedding single atoms one-by-one in silicon wafers.

According to the researchers, the technique, which has been published in an Advanced Materials paper, takes advantage of the precision of the atomic microscope, which has a sharp cantilever that « touches » the surface of a chip with a positioning accuracy of just half a nanometre, which is about the same space between atoms in a silicon crystal.

The researchers described how a tiny hole was drilled in the cantilever, so that when it was showered with phosphorous atoms, one would occasionally drop through the hole and embed in the silicon substrate.

A key aspect of this was knowing precisely when an atom was embedded in the substrate so the cantilever could move to the next precise position on the array.

The paper noted that up until now, implanting atoms in silicon has been a haphazard process as when a silicon chip gets showered with phosphorous, an atom would drop in a random pattern, like raindrops on a window. However, the team discovered that it could identify the preciseness through a « click » sound that occurs when an atom drops into the silicon crystal.

« One atom colliding with a piece of silicon makes a very faint click, but we have invented very sensitive electronics used to detect the click, it’s much amplified and gives a loud signal, a loud and reliable signal, » University of Melbourne professor and lead author David Jamieson said.

« That allows us to be very confident of our method. We can say, ‘Oh, there was a click. An atom just arrived. Now we can move the cantilever to the next spot and wait for the next atom.' »

L’article complet : Researchers develop new method embedding atoms one-by-one to build quantum chip
Publié sur ZDNet US le 12 janvier 2022

L’Iran a annoncé il y a quelques semaines avoir développé un processeur quantique dans son université navale de Nowshahr. Il s’agit en fait d’une simple carte de développement coûtant 600 euros dans les magasins spécialisés.

Le prix Nobel de physique 2022 a été décerné à Alain Aspect, John F. Clauser et Anton Zeilinger « pour des expériences avec des photons intriqués, établissant la violation des inégalités de Bell et ouvrant la voie à la science de l’information quantique ».

Le trio et leurs équipes ont réalisé des expériences novatrices de physique quantique dès les années 70, alors que la théorie quantique était sujette à de grands débats. Il s’agissait notamment de savoir si la théorie était « complète » malgré ses prédictions étranges (dont la fameuse « intrication quantique »), ou bien si l’on devait ajouter des ingrédients pour qu’elle soit plus proche du sens commun – des questionnements que les travaux d’Alain Aspect, John F. Clauser et Anton Zeilinger ont permis d’éclaircir, semant au passage les graines de la «seconde révolution quantique».

L’article complet : Le prix Nobel de physique 2022 pour l’intrication quantique