Au cours des cinq dernières décennies, les processeurs informatiques standard sont devenus de plus en plus rapides. Dans les années récentes, cependant, les limites de cette technologie sont devenues claires :les composants de la puce ne peuvent être que si petits, et être emballés seulement si étroitement ensemble, avant qu'ils ne se chevauchent ou ne se court-circuitent. Si les entreprises veulent continuer à construire des ordinateurs toujours plus rapides, quelque chose devra changer.

Un espoir clé pour l'avenir de l'informatique de plus en plus rapide est mon propre domaine, la physique quantique. Les ordinateurs quantiques devraient être beaucoup plus rapides que tout ce que l'ère de l'information a développé jusqu'à présent. Mais mes recherches récentes ont révélé que les ordinateurs quantiques auront leurs propres limites – et ont suggéré des moyens de comprendre quelles sont ces limites.

Les limites de la compréhension

Aux physiciens, nous, les humains, vivons dans ce qu'on appelle le monde "classique". La plupart des gens l'appellent simplement "le monde, " et sont parvenus à comprendre la physique intuitivement :lancer une balle l'envoie vers le haut puis vers le bas dans un arc prévisible, par exemple.

Même dans des situations plus complexes, les gens ont tendance à avoir une compréhension inconsciente de la façon dont les choses fonctionnent. La plupart des gens comprennent largement qu'une voiture fonctionne en brûlant de l'essence dans un moteur à combustion interne (ou en extrayant l'électricité stockée d'une batterie), produire de l'énergie qui est transférée par les engrenages et les essieux pour faire tourner les pneus, qui poussent contre la route pour faire avancer la voiture.

Selon les lois de la physique classique, il y a des limites théoriques à ces processus. Mais ils sont trop élevés :par exemple, nous savons qu'une voiture ne peut jamais aller plus vite que la vitesse de la lumière. Et peu importe la quantité de carburant sur la planète, ou combien de chaussée ou quelle force les méthodes de construction, aucune voiture ne s'approchera de 10 % de la vitesse de la lumière.

Les gens ne rencontrent jamais vraiment les limites physiques réelles du monde, mais ils existent, et avec une recherche appropriée, les physiciens peuvent les identifier. Jusque récemment, bien que, les érudits n'avaient qu'une idée assez vague que la physique quantique avait aussi des limites, mais ne savait pas comment comprendre comment ils pourraient s'appliquer dans le monde réel.

L'incertitude de Heisenberg

Les physiciens retracent l'histoire de la théorie quantique jusqu'en 1927, lorsque le physicien allemand Werner Heisenberg montra que les méthodes classiques ne fonctionnaient pas pour de très petits objets, ceux à peu près la taille des atomes individuels. Quand quelqu'un lance une balle, par exemple, il est facile de déterminer exactement où se trouve la balle, et à quelle vitesse ça bouge.

Mais comme l'a montré Heisenberg, ce n'est pas vrai pour les atomes et les particules subatomiques. Au lieu, un observateur peut voir où il se trouve ou à quelle vitesse il se déplace - mais pas les deux en même temps. C'est une prise de conscience inconfortable :même à partir du moment où Heisenberg a expliqué son idée, Albert Einstein (entre autres) n'était pas à l'aise avec cela. Il est important de réaliser que cette "incertitude quantique" n'est pas une lacune de l'équipement de mesure ou de l'ingénierie, mais plutôt comment fonctionne notre cerveau. Nous avons évolué pour être tellement habitués au fonctionnement du «monde classique» que les mécanismes physiques réels du «monde quantique» sont tout simplement au-delà de notre capacité à saisir pleinement.

Entrer dans le monde quantique

Si un objet dans le monde quantique voyage d'un endroit à un autre, les chercheurs ne peuvent pas mesurer exactement quand il est parti ni quand il arrivera. Les limites de la physique imposent un petit délai pour le détecter. Donc, peu importe à quelle vitesse le mouvement se produit réellement, il ne sera détecté qu'un peu plus tard. (Les durées ici sont incroyablement minuscules – des quadrillions de seconde – mais totalisent plus de milliers de milliards de calculs informatiques.)

Ce délai ralentit effectivement la vitesse potentielle d'un calcul quantique – il impose ce que nous appelons la « limite de vitesse quantique ».

Au cours des dernières années, recherche, auquel mon groupe a contribué de manière significative, a montré comment cette limite de vitesse quantique est déterminée dans différentes conditions, comme l'utilisation de différents types de matériaux dans différents champs magnétiques et électriques. Pour chacune de ces situations, la limite de vitesse quantique est un peu plus élevée ou un peu plus basse.

A la grande surprise de tous, nous avons même constaté que des facteurs parfois inattendus peuvent aider à accélérer les choses, a l'heure, de manière contre-intuitive.

Pour comprendre cette situation, il peut être utile d'imaginer une particule se déplaçant dans l'eau :la particule déplace les molécules d'eau lorsqu'elle se déplace. Et après que la particule se soit déplacée, les molécules d'eau retournent rapidement là où elles étaient, ne laissant aucune trace du passage de la particule.

Imaginez maintenant cette même particule voyageant à travers le miel. Le miel a une viscosité plus élevée que l'eau - il est plus épais et s'écoule plus lentement - de sorte que les particules de miel mettront plus de temps à reculer après que la particule se déplace. Mais dans le monde quantique, le flux de retour de miel peut augmenter la pression qui propulse la particule quantique vers l'avant. Cette accélération supplémentaire peut rendre la limite de vitesse d'une particule quantique différente de ce à quoi un observateur pourrait s'attendre autrement.

Concevoir des ordinateurs quantiques

Alors que les chercheurs comprennent mieux cette limite de vitesse quantique, cela affectera la façon dont les processeurs des ordinateurs quantiques sont conçus. Tout comme les ingénieurs ont découvert comment réduire la taille des transistors et les assembler plus étroitement sur une puce informatique classique, ils auront besoin d'une innovation intelligente pour construire les systèmes quantiques les plus rapides possibles, fonctionnant aussi près que possible de la limite de vitesse ultime.

Il y a beaucoup à explorer pour les chercheurs comme moi. Il n'est pas clair si la limite de vitesse quantique est si élevée qu'elle est inaccessible - comme la voiture qui ne s'approchera même jamais de la vitesse de la lumière. Et nous ne comprenons pas pleinement comment des éléments inattendus de l'environnement - comme le miel dans l'exemple - peuvent aider à accélérer les processus quantiques. À mesure que les technologies basées sur la physique quantique deviennent plus courantes, nous devrons en savoir plus sur les limites de la physique quantique, et comment concevoir des systèmes qui tirent le meilleur parti de ce que nous savons.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.