La révolution quantique de demain

Une première révolution quantique assez discrète chez le grand public

Différents types de transistor modernes

Qui n'utilise pas régulièrement un téléphone cellulaire, un ordinateur, une clé USB, ou encore un lecteur DVD? Il faut bien avouer que ce sont des objets plutôt banals… Mais savez-vous que ces outils nous viennent de la toute première révolution quantique qui englobe les inventions du transistor (1947), du laser (années 50-60), et des mémoires Flash de notre électronique actuelle (années 80-90)? Oui, vous avez bien lu, c'est la physique quantique qui a donné naissance à ces outils! Cependant, on peut remarquer que la physique quantique ne servait globalement ici qu'à mieux faire des choses que l'on savait déjà faire autrement, en utilisant par exemple des tubes à vide pour remplacer les transistors d'une radio ou d'un ordinateur. Cette citation du journal Popular Mechanics datant de 1949 permet de se rendre compte de la prouesse réalisée depuis par nos transistors : "Alors qu'un calculateur de l'ENIAC (Electronic Numerical Integrator Analyser and Computer) est équipé de 18 000 tubes à vide et pèse 30 tonnes, les ordinateurs du futur pourrait ne posséder que 1000 tubes à vide et ne peser qu'une tonne et demie" *.

La suite de ce texte s'inspire directement des propos tenus par Pr Alexandre Blais lors de la rencontre Apogée du 9 octobre 2015, alors qu'il offrait à l'audience un voyage au cœur de l'étrangeté quantique.

Une physique quantique "étrange"

Mais qu'est-ce que la physique quantique? On peut commencer par dire qu'elle est étrange, mais qu'elle est aussi étrange que la nature qu'elle décrit en fait. Un premier exemple venant appuyer ce constat est la superposition quantique. Prenons une simple ampoule : cette ampoule peut être évidemment allumée OU éteinte. Imaginons maintenant que l'on attribue à cette ampoule des propriétés quantiques. De façon complètement contre-intuitive, cette ampoule peut être à la fois allumée ET éteinte et se fixe dans un de ces deux états si vous l'observez! On dit que la superposition quantique s'évanouit. Bien sûr, cela nous paraît absurde car nous parlons d'un objet de la vie de tous les jours, alors que cette étrangeté du monde quantique ne se manifeste qu'à l'échelle de l'atome ou de grosses molécules en général. Mais allons encore plus loin avec un deuxième exemple : l'intrication quantique. Il est possible de créer deux ampoules quantiques liées l'une à l'autre (on dit plus généralement qu'elles sont intriquées). Si vous en gardez une avec vous et que vous envoyez l'autre à un-e ami-e sur Terre, le fait d'observer votre ampoule dans un état allumé ou éteint va instantanément fixe l'état de l'autre ampoule. On influence alors instantanément une mesure à distance! Ce phénomène est d'autant plus étrange qu'il fonctionne a priori sur n'importe quelle distance, qu'il s'agisse de quelques kilomètres ou de plusieurs années lumière.

On ne peut qu'admettre volontiers le côté très contre-intuitif de la mécanique quantique… Après tout, le grand physicien du 20ème siècle Richard Feynman disait bien : "Je pense pouvoir affirmer que personne ne comprend vraiment la mécanique quantique", et "La physique quantique traite la nature telle qu'elle est, absurde". Bref, nous avons vu que le monde avait déjà connu une première révolution issu de la mécanique quantique au sein de laquelle le rôle de la mécanique quantique était limité, car elle était juste une excellente façon de réaliser ce qui aurait pu être fait autrement. On cherche maintenant à exploiter l'étrangeté quantique en profondeur pour créer des choses qui n'existeraient tout simplement pas sans la physique quantique : il est donc maintenant question de lancer la prochaine révolution quantique!

Un aimant Néodyme-Fer-Bore en lévitation au-dessus d'une pastille supraconductrice refroidie à l'azote liquide

…mais pleine de promesses!

Quels axes peuvent être explorés pour atteindre cette nouvelle révolution quantique? Le Département de physique de l'Université de Sherbrooke a fait le pari audacieux de développer une expertise unique dans deux de ces axes : les matériaux quantiques et l'informatique quantique.

Le premier, l'axe des matériaux quantiques, s'intéresse au comportement des électrons dans la matière. En effet, les matériaux les plus novateurs que nous connaissons à l'heure actuelle abritent des électrons interagissant tellement fortement entre eux qu'il devient a priori impossible de prédire leur comportement. Cependant, la physique quantique permet de comprendre comment les électrons dans la matière peuvent parfois adopter un comportement collectif bien à part (un peu comme dans un banc de poissons), que ce soit dans les supraconducteurs à haute température critique (des matériaux conduisant parfaitement l'électricité et repoussant les champs magnétiques) ou les isolants topologiques (des matériaux isolants en leur cœur et conducteurs idéaux à leur surface) par exemple.

Un ensemble de qubits supraconducteurs

Le second, l'axe de l'informatique quantique, cherche entre autres à améliorer la puissance de calcul de nos ordinateurs. On sait par exemple que nos ordinateurs codent habituellement l'information sous forme binaire, soit en utilisant des 0 et des 1. Chacun de ces chiffres est appelé un bit (pour binary digit), un bit classique pouvant prendre la valeur 0 OU 1. Cependant, il est désormais possible de créer ce qu'on appelle un bit quantique (ou qubit pour quantum binary digit) pouvant prendre les valeurs 0 ET un 1 en même temps grâce à la superposition quantique mentionnée précédemment. Un même transistor quantique peut donc faire deux calculs simultanément! On peut par exemple utiliser un qubit fait de matériau supraconducteur qui abrite 4 bits quantiques sur environ 1cm2 de surface. Ce qubit peut ainsi faire 24=16 calculs en un seul coup. Le gain est exponentiel car avec 4 bits classiques, on ne pourrait faire qu'un seul calcul! Dans un ordinateur classique, on est obligé d'utiliser des milliards de transistors pour réaliser de nombreuses opérations rapidement. Avec un ordinateur quantique, il suffirait de 300 qubits pour obtenir 2300 résultats, ce qui est plus que le nombre de gouttes d'eau dans nos océans, ou encore, plus que le nombre d'atomes dans notre univers observable! Ça paraît être un rêve lointain, mais les 5 dernières années de recherche fondamentale semblent montrer qu'il y a beaucoup d'espoir. Quoi qu'il en soit, des compagnies comme Google, IBM, Intel ou Microsoft y croient!

 Conclusion

On ne sait jamais ce que l'avenir nous réserve. Cependant, on peut chercher à modeler cet avenir, à accélérer sa venue. Et c'est justement ce que fait le Département de physique de l'Université de Sherbrooke en explorant tous les jours les "bizarreries" du monde quantique pour apporter au reste du monde les technologies innovatrices de demain!

* Traduction française de la citation originale : "Where a calculator on the ENIAC (Electronic Numerical Integrator Analyser and Computer) is equipped with 18 000 vacuum tubes and weight 30 tons, computers in the future may have only 1000 vacuum tubes and perhaps only weight one and a half tons".

Texte d'Alexis Reymbaut, étudiant au doctorat en physique et vulgarisateur.