Trois chercheurs reçoivent le prix Nobel de physique, dont un Français
Trois chercheurs reçoivent le prix Nobel de physique, dont un Français,
pour leurs travaux sur la technologie quantique
Cofondateur de la start-up Pasqal, colauréate du palmarès des meilleurs inventeurs du Point, le Français Alain Aspect, directeur de recherche émérite du CNRS à l'université Paris-Saclay et professeur à l'École polytechnique, vient de remporter le prix Nobel de Physique 2022 aux côtés de deux autres pionniers de la physique quantique, l'Américain John Clauser et l'Autrichien Anton Zeilinger. Trois physiciens dont les travaux ont montré que la nature est encore plus étrange que ce qu'Einstein avait osé imaginer ont été récompensés pour leurs expériences dans un domaine qui a de larges implications pour le transfert sécurisé d'informations et l'informatique quantique.
Le physicien français, fils d’instituteurs né à Agen, est l’un des grands pionniers à l’origine de la vertigineuse révolution quantique. Il est aujourd'hui professeur à l'Université Paris-Saclay, à Paris, et à l'École polytechnique de Palaiseau, en France. Dans les années 1970, alors qu'il préparait son doctorat, il a passé trois ans à enseigner au Cameroun, tout en se perfectionnant en mécanique quantique pendant son temps libre. Dans un entretien avec le comité Nobel, Aspect a déclaré qu'il était rentré en France prêt à relever le défi posé par les travaux en mécanique quantique.
En 2021, le prix a été décerné à Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann et Giorgio Parisi pour leurs travaux détaillant le rôle de l'humanité dans le changement climatique. Selon la citation officielle du prix, celui de 2022 a été décerné « 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. Les travaux du trio se sont concentrés sur un phénomène connu sous le nom d'intrication quantique, qu'Albert Einstein a surnommé « action étrange à distance ». Ces recherches devraient jouer un rôle important dans l'informatique quantique, le transfert sécurisé d'informations et les technologies de détection.
Leurs travaux indépendants ont exploré les fondements de la mécanique quantique, les règles paradoxales qui régissent le comportement dans le monde subatomique. Dans des expériences menées au cours des 50 dernières années, ils ont confirmé la réalité de l’effet qu'Albert Einstein avait dédaigné en le qualifiant d' « action étrange à distance ». La mesure d'une paire de particules très éloignées les unes des autres pouvait instantanément modifier les résultats de la mesure de l'autre particule, même si celle-ci se trouvait à des années-lumière. Aujourd'hui, les physiciens appellent cet effet étrange « intrication quantique », et il est à la base du domaine en plein essor de l'information quantique. Lorsque les lauréats ont été annoncés mardi, Eva Olsson, membre du comité Nobel de physique, a fait remarquer que la science de l'information quantique avait de vastes implications dans des domaines tels que la cryptographie et l'informatique quantique.
Selon la citation officielle du prix, celui-ci a été décerné « 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. Les travaux du trio se sont concentrés sur un phénomène connu sous le nom d'intrication quantique, qu'Albert Einstein a surnommé « action étrange à distance ». Ces recherches devraient jouer un rôle important dans l'informatique quantique, le transfert sécurisé d'informations et les technologies de détection.
Informatique quantique qu’est-ce que c’est ?
L'informatique quantique est un type de calcul dont les opérations peuvent exploiter les phénomènes de la mécanique quantique, tels que la superposition, l'interférence et l'intrication. Les dispositifs qui effectuent des calculs quantiques sont connus sous le nom d'ordinateurs quantiques. Bien que les ordinateurs quantiques actuels soient trop petits pour surpasser les ordinateurs habituels (classiques) pour des applications pratiques, on pense que des réalisations plus importantes sont capables de résoudre certains problèmes de calcul, tels que la factorisation des nombres entiers (qui sous-tend le cryptage RSA), beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques. L'étude de l'informatique quantique est un sous-domaine de la science de l'information quantique.
Il existe plusieurs modèles de calcul quantique, le plus utilisé étant les circuits quantiques. Parmi les autres modèles, figure la machine de Turing quantique, le recuit quantique et le calcul quantique adiabatique. La plupart des modèles sont basés sur le bit quantique, ou "qubit", qui est quelque peu analogue au bit dans le calcul classique. Un qubit peut être dans un état quantique 1 ou 0, ou dans une superposition des états 1 et 0. Cependant, lorsqu'il est mesuré, il est toujours à 0 ou à 1. La probabilité de l'un ou l'autre résultat dépend de l'état quantique du qubit juste avant la mesure. Le calcul quantique à variables continues est un modèle qui n'utilise pas de qubits.
Les efforts déployés pour construire un ordinateur quantique physique se concentrent sur des technologies telles que les transmons, les pièges à ions et les ordinateurs quantiques topologiques, qui visent à créer des qubits de haute qualité. Ces qubits peuvent être conçus différemment, selon le modèle de calcul de l'ordinateur quantique complet, à savoir si des portes logiques quantiques, un recuit quantique ou un calcul quantique adiabatique sont utilisés. Il existe actuellement un certain nombre d'obstacles importants à la construction d'ordinateurs quantiques utiles. Il est particulièrement difficile de maintenir les états quantiques des qubits, car ils souffrent de décohérence quantique. Les ordinateurs quantiques nécessitent donc une correction des erreurs.
Tout problème de calcul qui peut être résolu par un ordinateur classique peut également être résolu par un ordinateur quantique. Inversement, tout problème qui peut être résolu par un ordinateur quantique peut également être résolu par un ordinateur classique, du moins en principe si l'on dispose de suffisamment de temps. En d'autres termes, les ordinateurs quantiques obéissent à la thèse de Church-Turing. Cela signifie que si les ordinateurs quantiques n'offrent aucun avantage supplémentaire par rapport aux ordinateurs classiques en termes de calculabilité, les algorithmes quantiques pour certains problèmes ont des complexités temporelles nettement inférieures à celles des algorithmes classiques connus correspondants. En particulier, on pense que les ordinateurs quantiques sont capables de résoudre rapidement certains problèmes qu'aucun ordinateur classique ne pourrait résoudre en un temps raisonnable - un exploit connu sous le nom de « suprématie quantique ». L'étude de la complexité informatique des problèmes par rapport aux ordinateurs quantiques est connue sous le nom de théorie de la complexité quantique.
L'intrication quantique, en bref, signifie que les propriétés d'une particule peuvent être déduites en examinant les propriétés d'une seconde particule, même si elles sont séparées par une grande distance. Comme l'a souligné l'académie, une façon simple d'imaginer cela est de penser que l'on vous donne l'une de deux balles, l'une blanche et l'autre noire. Si vous recevez une boule blanche, vous savez que l'autre boule est noire. Dans le scénario de la balle, cela signifie que les deux balles sont grises jusqu'à ce qu'on les examine, après quoi l'une devient blanche et l'autre noire. C'est là l'essence même de l' « effroi » : plutôt qu'une "action" à distance, les deux particules, ou boules, semblent être intrinsèquement connectées, sans qu'aucun signal ne doive être envoyé entre elles.
La science de l'information quantique est un « domaine dynamique et en plein essor », a-t-elle déclaré. « Ses prédictions ont ouvert les portes d'un autre monde, et elles ont également ébranlé les fondements mêmes de la façon dont nous interprétons les mesures. » Comme l'expliquait récemment Daniel Kabat, professeur de physique au Lehman College de New York, « nous sommes habitués à penser que l'information sur un objet - disons qu'un verre est à moitié plein - est en quelque sorte contenue dans l'objet. » Au lieu de cela, dit-il, l'intrication signifie que les objets « n'existent qu'en relation avec d'autres objets et, de plus, ces relations sont codées dans une fonction d'onde qui se situe en dehors de l'univers physique tangible ».
Lors d'une conversation avec le comité Nobel mardi matin, Alain Aspect, de l'Institut d'optique de Palaiseau (France), a déclaré qu'il avait cherché une limite à la mécanique quantique, mais qu'il ne l'avait pas trouvée. « J'accepte dans mes images mentales quelque chose qui est totalement fou », a-t-il déclaré. La mécanique quantique est née dans les premières décennies du 20e siècle, une période souvent appelée la deuxième révolution scientifique, alors que les scientifiques tentaient de comprendre la vie intérieure des atomes. Sa pièce maîtresse était le principe d'incertitude, énoncé par Werner Heisenberg en 1927, qui stipule que certains types de connaissances - de la position et de la vitesse d'une particule, par exemple - sont incompatibles : Plus on mesure une propriété avec précision, plus l'autre devient floue et incertaine.
Einstein, bien qu'étant l'un des fondateurs de la théorie quantique, l'a rejetée en déclarant que Dieu ne jouait pas aux dés avec l'univers.
Dans un article rédigé en 1935 avec Boris Podolsky et Nathan Rosen, il aurait tenté de démolir la mécanique quantique en tant que théorie incomplète en soulignant que, selon les règles quantiques, la mesure d'une particule à un endroit pouvait instantanément affecter les mesures de l'autre particule, même si elle se trouvait à des millions de kilomètres.
Il s'agissait d'un débat philosophique sur la nature de la réalité jusqu'en 1964, lorsque John Stewart Bell, un physicien théoricien du CERN qui était également sceptique quant aux affirmations de la mécanique quantique, a décrit - mais n'a pas réalisé - une expérience permettant de vérifier si Einstein ou la mécanique quantique avait raison.
Le Dr Clauser, à qui l'on attribue des dons pour l'électronique et l'expérimentation et des doutes sur la théorie quantique, a été le premier à réaliser l'expérience proposée par Bell. Il est tombé sur l'article de Bell alors qu'il était étudiant diplômé à l'université de Columbia et a reconnu qu'il pouvait le faire.
En 1972, à l'aide de ruban adhésif et de pièces détachées dans le sous-sol du campus de l'université de Californie à Berkeley, Clauser et un étudiant diplômé, Stuart Freedman, décédé en 2012, ont tenté de réaliser l'expérience de Bell pour mesurer l'intrication quantique. Dans une série d'expériences, il a tiré des milliers de particules de lumière, ou photons, dans des directions opposées pour mesurer une propriété connue sous le nom de polarisation, qui ne peut avoir que deux valeurs - vers le haut ou vers le bas. Le résultat pour chaque détecteur était toujours une série de hauts et de bas apparemment aléatoires.
Mais lorsque les résultats des deux détecteurs étaient comparés, les hauts et les bas correspondaient d'une manière que ni la « physique classique » ni les lois d'Einstein ne pouvaient expliquer. Il se passait quelque chose de bizarre dans l'univers. L'intrication semblait être réelle. À l'époque, la plupart des physiciens n'avaient pas envie de débattre de la signification de la mécanique quantique, car ils étaient occupés à l'utiliser pour construire des bombes atomiques et des transistors.
« Clauser s'est attiré les foudres des scientifiques qui ne pensaient pas que cela faisait partie de la science », explique David Kaiser, professeur de physique et d'histoire des sciences au Massachusetts Institute of Technology et auteur de How the Hippies Saved Physics : Science, Counterculture, and the Quantum Revival. « Il a dû faire preuve d'une grande ténacité pour publier son résultat », a déclaré le Dr Kaiser.
Relevons qu’encore aujourd’hui, les questions sur l’informatique quantique continuent de diviser. Dans une de ses récentes sorties, le Dr Nikita Gourianov, physicien chercheur à l'Université d'Oxford, s’en est pris à l'industrie de l'informatique quantique, estimant qu'il s'agit d'une escroquerie. Selon Gourianov, malgré les milliards de dollars investis dans l'informatique quantique, l'industrie n'a pas encore développé un seul produit capable de résoudre des problèmes pratiques.
Le Dr Nikita Gourianov a récemment terminé son doctorat en physique atomique et laser au Keble College de l'Université d'Oxford avec une thèse sur l'utilité des méthodes de réseaux tensoriels pour les simulations de turbulence. Grâce à cette expérience, il a acquis dit-il, une expertise dans les réseaux tensoriels, l'optimisation en haute dimension, les algorithmes de compression de données, l'algèbre linéaire de bas niveau, les équations aux dérivées partielles et l'informatique quantique.
Dans une interview accordée à l'American Institute of Physics en 2002, le Dr Clauser a admis qu'il s'attendait lui-même à ce que la mécanique quantique soit fausse et qu'Einstein ait raison. « De toute évidence, nous avons obtenu le « mauvais » résultat. Je n'avais pas d'autre choix que de rapporter ce que nous avons vu, vous savez, 'Voici le résultat'. Mais cela contredit ce que je croyais dans mes tripes être vrai. » Il a ajouté : « J'espérais que nous renverserions la mécanique quantique. Tous les autres pensaient, 'John, tu es complètement fou'. »
Le problème de la découverte du Dr Clauser et de la description mécanique quantique de cette action étrange est que les corrélations n'apparaissent qu'après les mesures des particules individuelles, lorsque les physiciens comparent leurs résultats après coup. L'intrication semblait réelle, mais elle ne pouvait pas être utilisée pour communiquer des informations à une vitesse supérieure à celle de la lumière.
Le Dr Clauser a passé une grande partie de la décennie à s'inquiéter des failles qu'il aurait pu négliger. L'une d'entre elles, appelée « faille de localité », était que les instruments de laboratoire auraient pu se transmettre des informations entre eux.
En 1982, Aspect et son équipe de l'université de Paris ont essayé de déjouer la faille du Dr Clauser en changeant la direction dans laquelle les polarisations des photons étaient mesurées toutes les 10 nanosecondes, alors que les photons étaient déjà dans l'air et trop rapides pour qu'ils puissent communiquer entre eux. Lui aussi s'attendait à ce qu'Einstein ait raison.
Les résultats d’Aspect ont fait de l'intrication un phénomène réel que les physiciens et les ingénieurs pouvaient utiliser. Les prédictions quantiques se sont vérifiées, mais il y avait encore d'autres failles possibles dans l'expérience de Bell que le Dr Clauser avait identifiées et qui devaient être comblées avant que les physiciens quantiques puissent déclarer leur victoire sur Einstein. Par exemple, les directions de polarisation dans l'expérience du Dr Aspect avaient été modifiées d'une manière régulière et donc théoriquement prévisible qui pouvait être détectée par les photons ou les détecteurs.
C'est alors qu'Anton Zeilinger, professeur à l'université de Vienne, qui, avec son groupe, s'est imposé comme l'un des principaux maîtres de cérémonie de la supercherie quantique, a repris le flambeau. En 1998, il a ajouté encore plus de hasard à l'expérience de Bell, en utilisant des générateurs de nombres aléatoires pour changer la direction des mesures de polarisation pendant que les particules intriquées étaient en vol.
Source : Nobel Prize
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