Nouvelles règles, nouveaux jouets
Les humains ont longtemps travaillé sur le terrain de jeu de la technologie. Depuis toujours, en fait. À une époque où aucun Homo sapiens ne vivait encore, il y avait des hominidés qui cultivaient des outils en pierre à la fois pour la chasse et pour la préparation des aliments. En effet, c'est cette faculté qui a distingué les premiers membres du genre homo de leurs précurseurs. Aujourd'hui, bien qu'il s'agisse d'un concept que nous associons au mobile récemment lancé et/ou à une application d'intelligence artificielle, il s'agit en fait de technologie, de savoir. Savoir sur les techniques et les compétences qui, au fil des siècles, nous ont permis de comprendre et de maîtriser l’environnement. La capacité qui nous définit, l'homme.
Depuis les outils en pierre, nous avons beaucoup exploré le terrain de jeu de la technologie. Nous avons parcouru un long chemin de la maîtrise du feu à l'Internet, en passant par le développement de l'agriculture, l'invention de la roue et la production d'électricité. La dernière étape sur ce chemin nous oblige à explorer le comportement extravagant de la matière à des échelles plus petites. plus de 2 millions d'années dans ce terrain de jeu et nous trouvons encore de nouveaux coins. Il semble, en outre, que dans ce coin les choses se passent différemment, que leur attitude soit régie par un ensemble différent de lois. Ces nouvelles lois peuvent-elles permettre le développement de nouveaux jouets ?
Nouvelles règles : Mécanique quantique
Au début du XXe siècle, à la suite de certains résultats incompréhensibles au sein du savoir de l'époque, de nouveaux concepts ont été découverts sur le comportement fondamental de la matière. La nature discrète (non continue) de l'énergie en fait partie. Dans notre vie quotidienne, nous assistons à un échange continu d’énergie. Par exemple, si nous allons à la montagne, nous passerons de temps en temps par toutes les hauteurs qui sont du point de départ au sommet. De plus, en freinant la voiture, la voiture adopte toutes les vitesses allant de la valeur initiale à zéro, toutes. C’est-à-dire que nous acquérons ou perdons constamment de l’énergie (potentielle dans un cas, cinétique dans l’autre). Au contraire, à l'échelle atomique, l'énergie est échangée en petits paquets, c'est-à-dire qu'elle change de saut. Comme s'il s'agissait d'un échange d'argent, où la plus petite quantité que nous pouvons prendre ou donner est définie par la valeur de la plus petite monnaie, il y a une valeur minimale pour l'échange d'énergie: le quantum.
La connaissance de la nature discrète de l'énergie a déclenché la première révolution quantique et a assuré le développement de diverses technologies qui façonnent le monde d'aujourd'hui, comme le transistor. L'invention la plus importante du XXe siècle pour beaucoup est à la base de tous les outils électroniques omniprésents aujourd'hui, et plus de mille milliards d'exemplaires sont fabriqués chaque seconde dans le monde. Chaque seconde ! C'est pas mal ! Les horloges atomiques ont également été développées dans le cadre de la première révolution quantique. Ceux-ci sont basés sur la différence entre les deux niveaux d'énergie d'un atome pour mesurer le temps, et le fonctionnement des systèmes de communication actuels, via Internet, dépend de mesures précises fournies par une telle horloge (voir figure 1).
Il y a donc déjà des technologies basées sur la mécanique quantique parmi nous. Quoi qu'il en soit, aujourd'hui, nous disons qu'une deuxième révolution quantique est en cours. Qu’est-ce qui a provoqué cette nouvelle révolution ? Or, les progrès réalisés dans le domaine de l'ingénierie ont permis de contrôler les systèmes quantiques individuels, ce qui, à son tour, a permis l'exploitation de nouveaux phénomènes quantiques, notamment la surcharge. La superposition est, pour le dire simplement, la capacité d'un système quantique d'exister dans toutes les situations possibles en même temps. Ainsi, en mesurant une propriété du système, nous pouvons obtenir n'importe quelle valeur acceptée (la nature discrète de l'énergie exclut beaucoup de valeurs) avec la probabilité correspondante de chacun. La superposition permet également une corrélation spéciale entre les systèmes, l'enchevêtrement quantique, une corrélation qui est maintenue même si les systèmes sont éloignés les uns des autres. Vous pouvez trouver une excellente explication à ces principes quantiques dans l'article de Gorka Azkune "Quand la fiction devient réalité". [1].
Nouveaux jouets : L'ordinateur quantique
Avec ces nouvelles règles en main, nous sommes impatients de commencer à jouer; mais par où commencer? Dans le terrain de jeu de la technologie, il y a une caractéristique que les jouets les plus précieux ont en commun: ils ont quelque part un dispositif électronique qui traite l'information, à savoir un ordinateur. S'il était possible d'améliorer ces machines en utilisant des systèmes quantiques, ce serait un bon point de départ.
Un ordinateur prend essentiellement des informations et effectue des opérations logiques avec elles pour résoudre le problème en question. Avec le nombre croissant d'opérations à effectuer, il faudra de plus en plus de temps à l'ordinateur pour résoudre le problème. Nous savons que le temps de résolution de certains problèmes, même sur les ordinateurs les plus puissants du monde, dépasse l'âge de l'univers. Un exemple typique de ce type de problèmes est la factorisation de nombres entiers. Or, dans un ouvrage publié en 1997, Peter Shore a démontré qu’un ordinateur qui exploite la surcharge quantique peut résoudre la factorisation des nombres en peu de temps [2]. Étant donné que ce problème est à la base de la plupart des systèmes de cryptage dans le monde, il n'est pas surprenant que ce travail suscite un tollé. Il est apparu que l'ordinateur quantique permettait de résoudre des problèmes jusque-là considérés comme impossibles.
Depuis lors, nous avons connu la course technologique pour l’ordinateur quantique, menée par les entreprises et les gouvernements les plus puissants du monde, une rivalité pleine d’actualités hotsandiques [3] et d’énormes échecs [4] (pour approfondir ce sujet, vous pouvez vous référer à l’article écrit par Iñigo Arrazola [5]). Cependant, plus de 25 ans se sont écoulés et il n'y a pas d'ordinateurs quantiques dans nos maisons. Pourquoi pas ? La raison principale est l'énorme sensibilité des systèmes quantiques. L'influence de l'environnement sur les systèmes quantiques élimine les superpositions. Par conséquent, l'exploitation de cette propriété nécessite que les systèmes restent complètement isolés de l'environnement pendant de longues périodes, ce qui constitue un défi technique majeur. De plus, le traitement de l'information nécessite un contrôle précis de l'état de ces systèmes. Il n'est pas difficile de gérer un seul système (du moins dans les laboratoires spécialisés), mais il faut beaucoup de systèmes pour résoudre des problèmes réels en interaction, ce qui rend le contrôle des situations extrêmement difficile. Il semble qu'il reste de nombreuses années avant que ces difficultés ne soient complètement surmontées. Pendant ce temps, il y a des ordinateurs quantiques modestes utiles dans certains secteurs, mais il semble qu'il n'y aura pas de jouets qui génèreront une véritable révolution à court terme.
Jouer sagement : Des capteurs quantiques
Mais ne nous décourageons pas. En fait, la même caractéristique qui entrave le développement des ordinateurs quantiques, à savoir la sensibilité à l'environnement, facilite l'obtention d'un autre type de jouet. Les capteurs [6] sont des dispositifs que nous pouvons trouver partout, car la mesure précise des propriétés physiques est d’une importance vitale dans de nombreux domaines de notre société. La médecine en est un exemple frappant, où l'obtention d'informations précises sur le fonctionnement du corps peut conduire à un diagnostic et à un traitement appropriés.
L'IRM est l'une des procédures les plus utilisées pour accéder à ces informations. Les atomes de notre corps (principalement l'hydrogène présent dans les molécules d'eau), en raison de leur réponse aux champs magnétiques et aux ondes radio, émettent un signal magnétique qui, en mesurant ce signal, peut déterminer l'emplacement des atomes émetteurs et ainsi construire l'image interne du corps. Structures diverses (articulations, organes, etc.) c'est la procédure préférée pour l'examen et, en général, le test diagnostique avec un grand succès. Cependant, cette procédure a beaucoup à améliorer.
La sensibilité des capteurs qui utilisent les machines de résonance de l'hôpital est faible, c'est-à-dire qu'ils détectent difficilement les signaux magnétiques faibles tels que ceux émis par notre corps. Cela implique la nécessité de créer des champs magnétiques très élevés (car le signal généré est proportionnel au champ), augmentant ainsi la complexité technique et le prix des machines. Par conséquent, nous avons une procédure occasionnelle, aujourd'hui, l'IRM, qui est déjà effectuée lorsque d'autres tests suggèrent un problème, et qui a généralement de longues listes d'attente. Y aura-t-il, dans ce coin étrange du terrain de jeu, un jouet qui puisse soulager cette situation ? Et puis il y en a un en diamant.
Le diamant est un réseau d'atomes de carbone dans lequel des défauts peuvent apparaître, par exemple, au lieu d'un carbone, un azote peut apparaître et un vide dans un endroit adjacent. Cette structure, que nous appelons le centre NV (Nitrogen-Vacancy), est la plate-forme idéale pour le développement de la technologie quantique [7], facile à contrôler, économique et fonctionnant à température ambiante. En outre, il répond aux variations de diverses propriétés physiques, y compris le champ magnétique, ce qui le rend idéal pour les travaux de capteurs (voir figure 2). De plus, les centres NV sont extrêmement sensibles, car ils perçoivent même les plus petites variations du champ magnétique. Les essais de ce type de système dans le contexte de l'IRM ont donné des résultats étonnants : on a détecté le signal magnétique émis par une molécule unique, [8] et on a obtenu des images par IRM avec une résolution monocellulaire, [9] entre autres. En outre, il y a des organisations qui ont développé des produits basés sur les expériences mentionnées ci-dessus, qui ont ouvert la voie à l'IRM dans les hôpitaux de demain comme une procédure normale (voir figure 3).
La mesure des signaux d'IRM n'est qu'un exemple de la capacité de transformation des capteurs quantiques, bien sûr significative, mais en fin de compte un exemple. Dans la même ligne, nous pourrions remplir une infinité d'autres pages, expliquant des applications qui sont aussi évidentes l'une que l'autre. Cependant, ces jouets retiennent généralement peu d'attention, bien qu'ils soient les dispositifs quantiques les plus proches pour répondre aux besoins de la société. Il est donc temps pour les capteurs quantiques de sortir de l'ombre des technologies les plus fascinantes et de recevoir l'attention qu'ils méritent.
Bibliographie
[1] Azkune Galparsoro, G. 2014. « Quand la fiction devient réalité. » Magazine Elhuyar, 308.
[2] W. Shor, P. 1997. “Algorithmes Polynomial Time pour Prime Factorization and Discrete Logarithms on a Quantum Computer”. SIAM Journal on Computing, 26, 5.
[3] Arute, F. et al. 2019. “Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”. Nature, 574, 505-510.
[4] Pednault, E. ; Maslov, D. ; Gunnels, J. et Gambetta, J. 2019 “On ‘quantum supremacy’”. Le blog IBM.
[5] Raig Raig, I. 2020. “Google et la supériorité quantique”. Magazine Elhuyar, 340.
[6] Degen, C. " L. ; Reinhard, F. et Cappellaro, P. 2017. “Quantum sensing”. Rév. Mod. Phys ? 89.
[7] Doherty, M. W. et al. 2013. “The nitrogen-vacancy colour centre in diamond”. Physique Reports, 528, 1, 1-45.
[8] Lovchinsky, I. et al 2016. nuclear magnetic resonance detection and spectroscopy of single proteins using quantum logic. Science, 351, 6275, 836, 841.
[9] Glenn, D.R. 2015. “Single-cell magnetic imaging using a quantum diamond microscope”. Nature Methods, 12, 736-738.
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