Nouvelles normes, nouveaux jouets

2024/10/23 Tobalina Novo, Ander - Gasteizko Ingenieritza Eskolako irakaslea, EHU Quantun Center-eko ikertzailea, Fisika teorikoan doktorea Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Les êtres humains ont été longtemps dans la cour de la technologie. Toujours, la vérité. À l'époque où il n'y avait pas encore d'Homo sapiens, il y avait des homonides qui travaillaient des outils en pierre à la fois pour la chasse et pour la préparation des aliments. Cette faculté, en effet, constituait le trait distinctif qui distingue les premiers membres du genre homo de leurs prédécesseurs. Aujourd'hui, même si c'est un concept que nous associons avec le mobile nouvellement lancé ou avec une application d'intelligence artificielle, c'est en fait la technologie, la connaissance. Une connaissance des techniques et des compétences qui, au fil des siècles, nous ont permis de comprendre et de maîtriser l’environnement. Nous, l’être humain, la capacité qui nous définit.

Depuis les outils en pierre, nous avons été très attentifs à l'exploration de la cour de la technologie. Nous avons parcouru un long chemin du contrôle 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 cette voie nous oblige à explorer le comportement étrange de la matière dans les plus petites échelles. Plus de 2 millions d'années dans cette cour, et nous trouvons encore de nouveaux coins. En outre, il semble que dans ce coin les choses se font différemment, que leur position est réglementée par un ensemble de lois différentes. Est-il possible que ces nouvelles lois permettent de développer de nouveaux jouets?

Nouvelles règles: Mécanique quantique

Au début du XXe siècle, à la suite de résultats incompréhensibles dans le savoir de l'époque, de nouveaux concepts ont été connus sur le comportement fondamental de la matière. Le caractère discret (non continu) de l'énergie est l'un d'eux. Dans notre vie quotidienne, nous voyons comment l’énergie est continuellement échangée. Par exemple, si nous allons à la montagne, à un moment donné, nous passerons par toutes les hauteurs du point de départ jusqu'au sommet. En outre, en freinant la voiture, la voiture atteint toutes les vitesses allant de la valeur initiale à zéro, toutes. C'est-à-dire que nous obtenons ou perdons de l'énergie (dans un cas, cinétique dans un autre) de façon continue. En revanche, à l'échelle atomique, l'énergie est échangée en paquets, c'est-à-dire en saut. Comme s'il s'agissait d'un changement d'argent, où le montant le plus bas que nous pouvons prendre ou donner est celui qui établit la valeur de la plus petite monnaie, il y a une valeur minimale pour l'échange d'énergie: le plus.

La connaissance du caractère discret de l'énergie a déclenché la première révolution quantique et assuré le développement de diverses technologies qui façonnent le monde d'aujourd'hui, comme le transistor. Pour beaucoup, cette invention, la plus importante du XXe siècle, est la base de tous les appareils électroniques aujourd'hui omniprésents, et plus d'un billion d'exemplaires sont fabriqués chaque seconde dans le monde. Chaque seconde! Ce n'est pas peu! Les horloges atomiques se sont également développées dans la première révolution quantique. Ceux-ci sont basés sur la différence de deux niveaux d'énergie d'un atome pour mesurer le temps, et le fonctionnement des systèmes de communication actuels, via Internet, dépend des mesures précises données par cette montre (voir figure 1).

Par conséquent, il existe déjà des technologies basées sur la mécanique quantique parmi nous. En tout état de cause, nous disons aujourd’hui qu’une deuxième révolution quantique est déjà en cours. Qu’est-ce qui est à l’origine de cette nouvelle révolution ? Eh bien, les progrès dans le domaine de l'ingénierie ont permis de contrôler les systèmes quantiques individuels, ce qui a à son tour permis d'exploiter de nouveaux phénomènes quantiques, notamment celui des superpuissances. En définitive, la capacité d'un système quantique à exister à la fois dans toutes les situations possibles. Ainsi, en mesurant une propriété du système, nous pouvons obtenir n'importe quelle valeur admise (la nature discrète de l'énergie exclut beaucoup de valeurs) avec la probabilité correspondante à chacun d'eux. Le chevauchement permet en outre une corrélation particulière entre les systèmes, l'enchevêtrement quantique, la corrélation qui est maintenue malgré la distance des systèmes. Dans l'article "Quand la fiction devient réalité" de Gorka Azkune, vous trouverez une magnifique explication sur ces principes quantiques. 1].

Nouveaux jouets: Ordinateur quantique

Avec ces nouvelles règles dans la main, nous sommes impatients de commencer à jouer, mais par où commencer? Dans la cour de la technologie, il y a une caractéristique commune des jouets les plus précieux: ils ont un appareil électronique qui traite l'information, c'est-à-dire un ordinateur. S'il était possible d'améliorer ces machines à l'aide de systèmes quantiques, elles constitueraient un bon point de départ.

Un ordinateur, essentiellement, prend des informations et effectue des opérations logiques avec elle pour résoudre le problème en question. Le nombre d'opérations à effectuer, de plus en plus, nécessitera un temps de plus en plus long pour que l'ordinateur résolve le problème. Nous savons que le temps de résolution de certains problèmes, même sur les ordinateurs les plus puissants du monde, est supérieur à l'âge de l'univers. Un exemple typique de ce genre de problèmes est la factorisation de nombres entiers. En tout état de cause, dans un ouvrage publié en 1997, Peter Shore a montré qu'un ordinateur qui exploite le quantique des surcharges peut résoudre la factorisation des nombres en peu de temps. Compte tenu du fait que ce problème est à la base de la plupart des systèmes de cryptage du monde, il n'est pas étonnant de constater l'agitation qui a provoqué ce travail. Il est apparu que l'ordinateur quantique permettait de résoudre les problèmes qui étaient jusqu'alors considérés comme impossibles.

Depuis lors, de la main des entreprises et des gouvernements les plus puissants du monde, nous avons connu la carrière technologique pour obtenir l’ordinateur quantique, plein de nouvelles de toutes sortes [3] et de défaites de grande ampleur [4] (pour approfondir ce sujet, vous pouvez vous tourner vers 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 la grande sensibilité des systèmes quantiques. L'influence de l'environnement sur les systèmes quantiques détruit le chevauchement. Par conséquent, l'exploitation de cette propriété implique le maintien de systèmes complètement isolés de l'environnement pendant de longues périodes, en supposant un défi technique majeur. Par conséquent, le traitement de l'information nécessite un contrôle exhaustif de l'état de ces systèmes. La gestion d'un seul système n'est pas difficile (au moins dans les laboratoires spécialisés), mais la résolution de problèmes réels nécessite un nombre considérable de systèmes d'interaction, ce qui rend extrêmement difficile le contrôle des situations. Il semble que ces difficultés soient totalement surmontées en l'absence de plusieurs années. Entre-temps, il existe des ordinateurs quantiques simples qui sont utiles dans certains secteurs, mais il semble qu'il n'y aura pas de jouets qui génèrent une véritable révolution à court terme.

Jouer avec le bon sens: Capteurs quantiques

Mais ne nous décourageons pas. En fait, la même caractéristique qui empêche le développement des ordinateurs quantiques, la sensibilité à l'environnement, facilite la réalisation d'un autre type de jouet. Les capteurs [6] sont des dispositifs que nous pouvons trouver n’importe où, car la mesure précise des propriétés physiques est fondamentale dans de nombreux aspects de notre société. La médecine en est un exemple clair, dans lequel l'obtention d'informations précises sur le fonctionnement du corps peut nous conduire au diagnostic et au traitement approprié.

La résonance magnétique nucléaire est l'une des procédures les plus utilisées pour accéder à ces informations. Les atomes de notre corps (en particulier ceux d'hydrogène présents dans les molécules d'eau), en raison des champs magnétiques et de la réponse aux ondes radio, émettent un signal magnétique qui permet de déterminer la position des atomes émetteurs et ainsi de construire l'image interne du corps. Structures variées (articulations, organes, etc.) est une procédure préférée pour votre étude et, en général, un test diagnostique de grand succès. Cependant, cette procédure d'amélioration a beaucoup à améliorer.

La sensibilité des capteurs utilisés par les machines de résonance d'hôpital est faible, c'est-à-dire qu'ils détectent difficilement des signaux magnétiques faibles, comme ceux émis par notre corps. Cela implique la nécessité de créer des champs magnétiques très élevés (le signal généré est proportionnel au champ), ce qui augmente la complexité technique et le prix des machines. Par conséquent, il s'agit d'une procédure occasionnelle, aujourd'hui, la résonance magnétique, qui est effectuée lorsque d'autres tests pointent déjà sur un problème et qui a généralement de longues listes d'attente. Y aura-t-il un jouet qui puisse soulager cette situation dans ce coin singulier de la cour? Donc, s'il y en a, il est en outre fait de diamants.

Le diamant est un réseau d'atomes de carbone dans lequel des erreurs peuvent apparaître, par exemple, un azote au lieu d'un carbone et un vide dans un endroit latéral. Cette structure, connue sous le nom de centre NV (Nitrogen-Vacancy en anglais), est une plate-forme idéale pour le développement de la technologie quantique [7], facile à contrôler, bon marché et à température ambiante. En outre, il répond à des changements dans certaines propriétés physiques, y compris le champ magnétique, il est donc idéal pour les opérations de capteur (voir figure 2). De plus, les centres NV sont extrêmement sensibles, car ils perçoivent également les variations les plus négligeables du champ magnétique. Les essais réalisés dans le contexte de la résonance magnétique avec ce type de systèmes ont donné des résultats étonnants: un signal magnétique émis par une seule molécule a été détecté [8] et des images de résonance monocellulaire ont été obtenues, entre autres [9]. En outre, il existe déjà des organisations qui ont mis au point des produits basés sur les expériences susmentionnées, qui ont rompu la voie pour que la résonance magnétique soit une procédure habituelle dans les hôpitaux de demain (voir figure 3).

La mesure des signaux de résonance magnétique n'est qu'un exemple de la capacité de transformation des capteurs quantiques; évidemment, significative, mais, en définitive, un exemple. Sur la même ligne, nous pourrions remplir d'autres pages infinies, l'une avec des applications aussi remarquables que l'autre. Cependant, ces jouets attirent souvent peu d'attention, bien qu'ils soient les appareils quantiques les plus proches des besoins de la société. Il est donc temps de tirer les capteurs quantiques 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. “Polynomial-Time Algorithms for 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.

Pednault, E.; Maslov, D.; Gunnels, J. et Gambetta, J. 2019 « On ‘quantum supremacy’. Blog IBM.

[5] Arrázola Maiztegi, I. 2020 « Google et domaine quantique ». Magazine Elhuyar, 340.

[6] Degen, C. L.; Reinhard, F. et Cappellaro, P. 2017 “Quantum sensing”. Rév. Mod. Phys! Règlement (CE) no 882/2004 du Parlement européen et du Conseil du 29 avril 2004 modifiant le règlement (CE) no 1782/2003 du Conseil en ce qui concerne l’autorisation de mise sur le marché des produits phytopharmaceutiques

[7] Doherty, M.W. et al. 2013. “The nitrogen-vacancy colour centre in diamond”. Recueil, 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 a quantum diamond microscope”. Nature Methods, 12, 736-738.