Comment la physique quantique pourrait-elle « tout révolutionner » ? – .

Comment la physique quantique pourrait-elle « tout révolutionner » ? – .
Comment la physique quantique pourrait-elle « tout révolutionner » ? – .
  • Par Phil Mercer
  • BBC News, Sydney

il y a 4 heures

Légende, La carrière de Liam Hall l’a mené de la mécanique diesel à la biotechnologie quantique.

Ayant grandi dans une ferme en Australie, Liam Hall était un mécanicien « gras et aux articulations éraflées », mais ces dernières années, sa carrière a pris une tournure plus technique.

Il est aujourd’hui responsable de la biotechnologie quantique au CSIRO, l’agence scientifique nationale australienne.

« J’ai un parcours un peu bizarre. J’ai toujours voulu être mécanicien diesel. Après avoir fait cela pendant un certain temps, j’ai voulu étudier l’ingénierie à l’université. C’est ainsi que j’ai découvert la physique, puis la physique quantique. Les montagnes russes sont une bonne façon de décrire mon voyage », explique-t-il.

Son équipe a développé des technologies de diagnostic, en expérimentant avec des microcapteurs fabriqués à partir de minuscules bandes de diamant d’environ 50 nanomètres (environ 1 000 fois plus fines qu’un cheveu humain) pour tester les niveaux de fer des patients.

Les méthodes actuelles contrôlent une protéine appelée ferritine, le mécanisme de stockage du fer dans l’organisme. Bien que la surveillance de la ferritine soit un bon moyen de mesurer le fer, il serait plus précis de mesurer les niveaux réels de fer à l’intérieur de la protéine.

Une façon d’y parvenir serait de mesurer les minuscules champs magnétiques générés par le fer. Mais cette approche pose un gros problème.

«Le champ magnétique est minuscule et ne peut être mesuré par aucun magnétomètre ou microscope traditionnel», explique le Dr Hall.

Cependant, les capteurs quantiques nanométriques du Dr Hall peuvent détecter ces minuscules champs et les mesurer.

Il estime qu’à l’avenir, cette technologie pourrait permettre de détecter rapidement une maladie particulière, notamment en surveillant certaines hormones ou protéines qui pourraient indiquer la présence d’un cancer.

“L’avantage des systèmes quantiques a toujours été qu’ils permettent une sensibilité bien plus grande et une identification plus facile des produits chimiques à un coût bien inférieur”, explique le Dr Hall.

Crédit photo, Université de Chicago

Légende, Des chercheurs du monde entier travaillent sur les technologies quantiques

Le Dr Hall s’inscrit dans une dynamique globale de développement des technologies quantiques. La Grande-Bretagne, la Chine, les États-Unis et d’autres pays tentent tous d’exploiter les étranges propriétés de la mécanique quantique.

“Le quantique est l’une des opportunités de croissance les plus prometteuses pour l’Australie – une opportunité de créer de nouveaux marchés et de nouvelles applications”, a déclaré le professeur Bronwyn Fox, scientifique en chef du CSIRO.

La mécanique quantique est apparue au début du XXe siècle à partir de l’étude des plus petits objets de la nature. Les scientifiques pensent que cette technologie pourrait potentiellement élargir notre compréhension de l’univers et résoudre des problèmes complexes à la vitesse de l’éclair.

La gamme d’applications semble vaste : des progrès des sciences de l’environnement et de la décarbonation à la cybersécurité et aux nouveaux médicaments. Il pourrait y avoir des molécules qui « mangent du carbone » et l’éliminent de l’atmosphère, des batteries quantiques pour alimenter les voitures, des avions conçus pour réduire leurs émissions et une logistique de transport pour réduire la congestion routière.

L’une des ambitions de la recherche quantique est d’exploiter le pouvoir des particules subatomiques pour stocker et traiter des données.

Alors que l’informatique classique utilise généralement des bits (zéros et uns), les ordinateurs quantiques utilisent des qubits, qui peuvent exister sous forme de zéros, de uns ou d’une combinaison des deux.

C’est là que les choses deviennent un peu étranges, car les particules peuvent exister simultanément dans plusieurs états (c’est ce qu’on appelle la superposition) et être entrelacées (ou intriquées) les unes avec les autres.

« L’utilisation de ce principe de superposition quantique et d’un autre phénomène quantique appelé intrication permet d’effectuer des calculs tout simplement impossibles avec les ordinateurs conventionnels. Cela ouvre la possibilité d’effectuer des calculs tout à fait étonnants qui peuvent changer le monde », déclare le professeur Andrew Dzurak de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud.

Ligne grise de présentation
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« Imaginez une nouvelle branche du Covid ou une autre horrible pandémie. Une fois que vous avez compris la structure moléculaire du virus, ce qui peut être réalisé à l’aide de techniques expérimentales standard, vous passez à l’ordinateur quantique et calculez comment fabriquer une molécule qui attaque spécifiquement ce virus.

« Nous résolvons le problème en un jour, au lieu des six ou neuf mois qu’il a fallu aux plus grands esprits biologiques et pharmaceutiques de la planète pour développer des vaccins contre le Covid. »

La puissance de l’informatique quantique vient de l’intrication, un phénomène naturel, selon le Dr Muhammed Usman, chef d’équipe chez Data 61, une société du CSIRO.

Il s’agit d’un phénomène complexe et difficile à comprendre. Des particules spéciales, souvent des photons ou des points lumineux, peuvent se trouver à deux endroits en même temps, mais restent fortement connectées même si elles ne sont pas physiquement liées.

“Je dirais que personne au monde ne comprend pleinement les principes de base de l’intrication”, estime honnêtement le Dr Usman.

Existe-t-il un Internet quantique ? C’est tout à fait possible. Les données pourraient être envoyées via des fibres optiques à l’aide de particules de lumière, ce qui rendrait presque impossible leur écoute ou leur piratage.

David Awschalom est professeur de la famille Liew de génie moléculaire et de physique à la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago.

Crédit photo, Université de Chicago

Légende, Le professeur David Awschalom a construit un réseau quantique de 200 km à la Pritzker School of Molecular Engineering de Chicago.

Aux États-Unis, l’Université de Chicago a construit l’un des plus longs réseaux quantiques du pays. Il s’étend sur près de 200 km de long et continue de s’étendre.

David Awschalom est professeur Liew de physique et de génie moléculaire à la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago. Il est également le directeur fondateur du Chicago Quantum Exchange (CQE), un consortium basé à l’Université de Chicago qui collabore avec des experts en Australie, en Inde, au Japon, aux Pays-Bas et en Israël. Le CQE dirige également le Bloch Quantum Tech Hub, une coalition de partenaires industriels, universitaires, gouvernementaux et à but non lucratif qui espère créer 30 000 emplois quantiques d’ici 2035 et générer 60 milliards de dollars pour l’économie.

« Nous avons étendu la portée de l’envoi de messages quantiques sécurisés sur plusieurs kilomètres de fibres souterraines », explique-t-il.

« Mais il reste d’importants défis à relever. En informatique quantique, par exemple, nous travaillons sur le maintien de la cohérence quantique, c’est-à-dire la préservation de l’intégrité d’un système quantique, sur la correction d’erreurs, c’est-à-dire sur la détection et la correction des erreurs causées par la décohérence, et sur l’extensibilité, c’est-à-dire sur la possibilité d’augmenter le nombre de qubits dans un système quantique afin de résoudre des problèmes plus complexes.

Laboratoire d'informatique quantique sur le campus Google Quantum AI à Goleta, en Californie

Crédit photo, Getty Images

Légende, Les ordinateurs quantiques promettent de résoudre des problèmes pour lesquels les ordinateurs traditionnels ne sont pas adaptés

Des années de recherches minutieuses nous attendent, mais l’avenir semble approcher à grands pas.

« L’intelligence artificielle quantique est l’un des principaux axes de recherche de notre équipe. L’apprentissage automatique et l’intelligence artificielle nécessitent beaucoup de calculs et l’informatique quantique promet une grande puissance de calcul », explique le Dr Usman du CSIRO.

« Par exemple, des voitures autonomes ou des drones volant sur des champs de bataille avec des armes mortelles. Peut-on faire confiance à l’intelligence artificielle ? Nous avons constaté que l’intégration de l’informatique quantique à l’intelligence artificielle permet d’obtenir des systèmes très fiables et dignes de confiance », ajoute-t-il.

“Mon rêve deviendra réalité lorsque les ordinateurs quantiques à grande échelle seront disponibles et que nous pourrons exécuter les algorithmes quantiques que je développe pour trouver des solutions à des problèmes que nous n’avons pas encore trouvés, ce qui révolutionnerait tout.”

 
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