Le sifflement que vous entendez en arrière-plan lorsque vous augmentez le volume de votre lecteur de musique est appelé "bruit". La plupart de ce sifflement est dû au mouvement thermique des électrons dans les circuits du lecteur de musique. Tout comme les molécules dans un gaz chaud, les électrons dans les circuits bougent constamment de façon aléatoire, et ce mouvement donne naissance à un signal de bruit indésirable.

Mais il existe un autre type de bruit qui n'intervient que lorsque nous avons un courant électrique qui circule. Ce bruit est appelé bruit de grenaille. Les obstacles qui génèrent ainsi du bruit de grenaille se retrouvent dans de nombreux composants électroniques, comme les diodes et certains transistors, et les électroniciens font de gros efforts pour essayer de se débarrasser des effets de toutes les sources de bruit, y compris le bruit de tir, dans leurs conceptions.

Maintenant, une nouvelle étude a montré que le bruit de grenaille peut être éliminé à son origine microscopique. Et pour ce faire, ils ont emprunté une idée à une source improbable :les premiers jours de la machine à vapeur.

L'étrangeté quantique

Le bruit de grenaille trouve son origine dans le fait que le courant électrique est composé d'un flux de particules individuelles – des électrons – et que le comportement de ces particules est régi par les étranges lois de la mécanique quantique.

Lorsqu'un électron rencontre un obstacle qui, selon vous, bloquerait son chemin, la mécanique quantique offre la possibilité qu'il puisse le traverser sans entrave. C'est ce qu'on appelle l'effet tunnel quantique, et cela rend possible ce qui semble impossible. La chose importante à propos de l'effet tunnel quantique est qu'il s'agit d'un processus aléatoire - la mécanique quantique peut nous dire avec quelle probabilité un électron pourrait tunneler, mais il ne peut pas nous dire si un électron particulier fera un tunnel ou non.

Ainsi, si un flux d'électrons heurte un obstacle, certains creuseront un tunnel et d'autres non, et cela se produit de manière complètement aléatoire. Si nous pouvions écouter l'arrivée d'un flux d'électrons tunnel de cette façon, cela ressemblerait au crépitement aléatoire des gouttes de pluie sur un toit plat. C'est ce hasard, par rapport au goutte-à-goutte-goutte-à-goutte enrégimenté d'un robinet, qui compose le bruit de tir.

Au XVIIIe siècle, James Watt avait du mal à faire fonctionner sa machine à vapeur à une vitesse constante. Pour résoudre ce problème, il invente le "gouverneur centrifuge" en 1788, un engin composé de deux billes de métal tournant sur un axe vertical entraîné par la machine à vapeur. Si le moteur tournait trop vite, les boules se déplaceraient vers le haut sous la force centrifuge (une force agissant sur un corps se déplaçant dans une trajectoire circulaire est dirigée loin du centre autour duquel le corps se déplace).

Ce mouvement était couplé à une soupape qui réduisait ensuite le débit de vapeur à travers le moteur, le ralentir. Inversement, si le moteur tournait trop lentement, les balles tomberaient, les soupapes s'ouvriraient et le moteur accélérerait. De cette façon, Watt a pu stabiliser la sortie de son moteur autour d'une vitesse constante. Ce faisant, il avait trouvé un premier exemple de ce que nous appellerions maintenant le contrôle par rétroaction.

James Watt à la rescousse

La nouvelle expérience se concentre sur un dispositif électronique ultra-petit connu sous le nom de transistor à un électron, qui pourraient un jour constituer la base d'une action extrêmement efficace, électronique miniature. Ces transistors à un électron sont un peu comme des transistors ordinaires, qui commutent les signaux électroniques, mais poussés à l'extrême limite de la miniaturisation de telle sorte que les électrons les traversent un à la fois. Cela se produit via un tunnel quantique, ce qui signifie que le courant traversant un transistor à un électron souffre du caractère aléatoire du bruit de grenaille.

En utilisant des mesures de charge sensibles, les chercheurs ont pu détecter exactement quand un électron avait traversé le transistor. Sur la base de ce comptage d'électrons, ils ont ensuite ajusté les tensions du transistor, suivant la recette de Watt pour le régulateur centrifuge :si plus d'électrons que la normale avaient tunnellisé, ils ont changé les tensions pour réduire le débit; si moins avaient creusé des tunnels, les tensions ont été modifiées pour augmenter le débit.

De cette façon, ils ont pu montrer que, au bout d'un certain temps, le nombre total d'électrons à avoir traversé le dispositif pourrait être contrôlé avec précision, les résultats étant presque entièrement exempts du caractère aléatoire du processus de tunneling bruyant.

La technique pourrait ne pas être intégrée de sitôt dans vos appareils électroniques grand public. La recherche a été effectuée à basse température sur un seul appareil, nous devions donc d'abord le faire fonctionner à température ambiante et étendre la fonction. Néanmoins, cela représente une percée importante, car il rapporte la première application du contrôle de rétroaction en électronique qui agit au niveau de l'électron individuel.

Les résultats sont particulièrement importants pour le développement des futures technologies quantiques, qui cherchent à exploiter les particularités de la physique quantique pour fabriquer des appareils qui surpassent largement nos meilleurs actuels. De telles machines pourraient être un énorme coup de pouce dans des domaines tels que la communication sécurisée, casser le code, mesure de précision et analyse quantitative des "big data". Les technologies quantiques nécessitent cependant un degré de contrôle exquis et, comme le montre cette recherche, les techniques de rétroaction éprouvées et fondées sur l'ère de la vapeur peuvent encore avoir un rôle important à jouer.

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