Des électrons qui tournent vers la droite et vers la gauche en même temps. Des particules qui changent d’état ensemble, même si d’énormes distances les séparent. Des phénomènes intrigants comme ceux-ci sont tout à fait courants dans le monde de la physique quantique. Les chercheurs du campus TUM Garching les utilisent pour construire des ordinateurs quantiques, des capteurs à haute sensibilité et l'Internet du futur.
"Nous refroidissons la puce à seulement quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu, soit plus froid que dans l'espace", explique Rudolf Gross, professeur de physique technique et directeur scientifique de l'Institut Walther Meissner (WMI) sur le campus de recherche de Garching. Il se tient devant un appareil d'apparence délicate avec des disques dorés reliés par des câbles :le système de refroidissement d'une puce spéciale qui utilise les lois étranges de la physique quantique.
Depuis une vingtaine d’années maintenant, les chercheurs du WMI travaillent sur les ordinateurs quantiques, une technologie basée sur une révolution scientifique survenue il y a 100 ans lorsque la physique quantique a introduit une nouvelle façon d’envisager la physique. Aujourd'hui, il sert de fondement à une « nouvelle ère technologique », comme l'appelle le professeur Gross.
Pour façonner cette ère émergente, les chercheurs de Garching étudient les moyens d'utiliser les règles de la physique quantique, ainsi que les risques associés et les avantages potentiels de la technologie quantique pour la société.
"Nous rencontrons quotidiennement la physique quantique", explique Gross. Par exemple, lorsque nous voyons un élément de brûleur de cuisinière briller en rouge. En 1900, Max Planck a trouvé la formule du rayonnement émis par des corps de différentes températures. Cela signifiait qu'il devait supposer que la lumière émise était constituée de minuscules parcelles d'énergie, appelées quanta. La physique quantique a continué à se développer dans les années qui ont suivi, modifiant fondamentalement notre compréhension du microcosme. Les nouvelles technologies exploitaient les propriétés particulières des atomes et des électrons, par exemple le laser, le tomographe à résonance magnétique et la puce informatique.
Les technologies de cette première révolution quantique contrôlent de grandes quantités de particules. Parallèlement, les physiciens peuvent également manipuler des atomes et des photons individuels et produire des objets qui obéissent aux lois de la physique quantique. "Aujourd'hui, nous pouvons créer des systèmes quantiques sur mesure", déclare Gross. Les principes de la physique quantique, pour lesquels il n'existe encore pratiquement aucune réalisation technologique, peuvent être utilisés dans cette soi-disant deuxième révolution quantique.
Le premier de ces principes est la superposition :un objet quantique peut prendre des états parallèles, mutuellement exclusifs dans le cadre de référence classique. Par exemple, un électron peut tourner simultanément vers la droite et vers la gauche. Les états superposés peuvent également interagir mutuellement, à la manière d'ondes qui se croisent et qui soit se renforcent, soit s'annulent. C'est le deuxième principe :l'interférence quantique.
Le troisième phénomène est l'enchevêtrement. Deux particules peuvent avoir un état quantique commun, même si elles sont situées à des kilomètres l’une de l’autre. Par exemple, si nous mesurons la polarisation d'un photon donné, alors le résultat de la mesure pour le partenaire intriqué est instantanément vérifié comme si l'espace entre les deux photons n'existait pas.
Aussi exotiques que puissent paraître ces concepts, ils sont tout aussi importants pour le progrès technique. Les ordinateurs classiques ont un inconvénient :ils traitent les informations de manière séquentielle, une étape à la fois. "Même les superordinateurs, dont la croissance est toujours plus rapide, ne seront pas en mesure de maîtriser toutes les tâches à accomplir", explique Gross, car la complexité de certaines tâches peut augmenter considérablement.
Par exemple, le nombre d’itinéraires possibles entre plusieurs villes augmente à chaque arrêt potentiel. Il existe six itinéraires possibles entre quatre villes, tandis que pour 15 villes, le nombre dépasse les 40 milliards. Ainsi, la tâche consistant à trouver très rapidement l'itinéraire le plus court devient extrêmement complexe, voire insoluble, en utilisant des ordinateurs classiques dans un laps de temps raisonnable.
Le principe de superposition facilite grandement la tâche de l'ordinateur quantique :il utilise des bits quantiques, ou qubits, qui peuvent traiter les valeurs des bits 0 et 1 simultanément et non séquentiellement. Un grand nombre de qubits, liés les uns aux autres par interférence quantique ou par intrication, peuvent traiter un nombre inconcevable de combinaisons en parallèle et peuvent ainsi résoudre très rapidement des tâches très complexes.
Retour à WMI :nous trouvons ici des chambres à vide en argent dans lesquelles des atomes métalliques sont déposés avec précision sur des tranches de silicium de la taille d'une main. Les couches métalliques très pures formées sur ces plaquettes constituent la base de minuscules circuits. Lorsque la surfusion rend les circuits supraconducteurs, l’électricité qu’ils transportent oscille à différentes fréquences correspondant à différents niveaux d’énergie. Les deux niveaux les plus bas servent de valeurs de qubit 0 et 1. La puce de l'un de ces systèmes de refroidissement contient six qubits, suffisants à des fins de recherche.
Cependant, les ordinateurs quantiques ont besoin de plusieurs centaines de qubits pour résoudre des problèmes pratiques. De plus, chacun des qubits doit être capable d’effectuer autant d’étapes de calcul que possible afin de réaliser des algorithmes pertinents à des fins pratiques. Mais les qubits perdent leur superposition très rapidement, même après la moindre perturbation, comme des défauts de matériaux ou l'électrosmog – « un énorme problème », explique Gross.
Des procédures de correction complexes doivent alors être utilisées pour corriger ces erreurs, mais ces processus nécessiteront des milliers de qubits supplémentaires. Les experts s’attendent à ce que cela prenne de nombreuses années. Néanmoins, les premières applications pourraient déjà être fonctionnelles lorsque le nombre d'erreurs de qubits sera réduit, voire éliminé.
"Une source d'erreur importante est l'interaction mutuelle indésirable entre les qubits", explique le Dr Kirill Fedorov du WMI. Son remède :répartir les qubits sur plusieurs puces et les enchevêtrer les uns dans les autres. Dans le sous-sol du WMI, Fedorov montre du doigt un tube du diamètre d'une branche d'arbre qui relie un ordinateur quantique à l'autre. Les tubes contiennent des conducteurs micro-ondes qui mettent les qubits en interaction mutuelle les uns avec les autres. Cette approche pourrait permettre à des milliers de qubits de fonctionner ensemble à l'avenir.
Eva Weig, professeur de technologie des capteurs nano et quantiques, a un point de vue différent sur ce manque de perfection. "Le fait que les États quantiques réagissent avec une telle sensibilité à tout peut également être un avantage", dit-elle. Même les champs magnétiques, les variations de pression ou les fluctuations de température les plus infimes peuvent modifier de manière mesurable un état quantique. "Cela peut rendre les capteurs plus sensibles et plus précis et les rendre capables d'une meilleure résolution spatiale", explique Weig.
Elle souhaite utiliser des objets relativement grands comme capteurs quantiques mécaniques. Même des nanostructures composées de millions d'atomes peuvent être placées dans leur état quantique fondamental, comme l'ont démontré pour la première fois des chercheurs de l'Université de Californie en 2010. Eva Weig s'appuie sur ces découvertes. "Je veux construire des nanosystèmes facilement contrôlables afin de mesurer les plus petites forces."
Au laboratoire, la physicienne présente une puce que son équipe a réalisée dans sa propre salle blanche. Sur celle-ci se trouvent ce qu'elle appelle des « nano-guitares », invisibles à l'œil nu :de minuscules cordes, 1 000 fois plus fines qu'un cheveu humain, qui vibrent par radiofréquence. L'équipe de Weig tente de placer ces nano-oscillateurs dans un état quantique défini. Les cordes pourraient alors être utilisées comme capteurs quantiques, par exemple pour mesurer les forces existant entre les cellules individuelles.
Le professeur de réseaux quantiques Andreas Reiserer souhaite utiliser un autre aspect des systèmes quantiques pour faciliter un Internet quantique :l'état quantique d'une particule est détruit lors de sa mesure, ce qui signifie que les informations qu'elle contient ne peuvent être lues qu'une seule fois. Ainsi, toute tentative d’interception laisserait inévitablement des traces. S’il n’y a pas de telles traces, une communication peut alors être fiable. "La cryptographie quantique est rentable et peut déjà prendre en charge des communications anti-interception aujourd'hui", dit-il.
Mais la portée de cette technologie reste encore limitée. Selon Reiserer, les éléments à fibres optiques sont idéaux pour transporter des informations quantiques à l’aide de la lumière. Mais le verre absorbe une partie de la lumière à chaque kilomètre parcouru. Après environ 100 kilomètres, la communication n'est plus possible.
L'équipe de Reiserer mène donc des recherches sur ce que l'on appelle des répéteurs quantiques, des unités de stockage d'informations quantiques qui doivent être espacées le long du réseau de fibres optiques environ tous les 100 kilomètres. S'il est possible d'enchevêtrer chacun des répéteurs quantiques avec son voisin immédiat, alors les informations envoyées peuvent être transmises sans aucune perte. "De cette façon, nous espérons pouvoir parcourir des distances à l'échelle mondiale", déclare Reiserer. "Il pourrait alors être possible de relier des appareils partout dans le monde pour former un 'superordinateur quantique'."
L'équipe basée à Munich souhaite miniaturiser les répéteurs quantiques, les simplifier et les rendre adaptés à la production de masse en les plaçant sur une puce informatique. La puce contient une fibre optique dans laquelle des atomes d'erbium ont été intégrés. Ces atomes servent de qubits qui peuvent tamponner les informations. Cependant, Reiserer admet que cela nécessite un refroidissement à seulement quatre degrés Kelvin (soit environ -269°C) et ajoute que beaucoup plus de recherches seront nécessaires avant d'atteindre la viabilité pratique.
L’arrivée des technologies quantiques dans la vie quotidienne comporte également certains risques. Un ordinateur quantique corrigé des erreurs pourrait briser les procédures de cryptage conventionnelles actuelles et pourrait, par exemple, compromettre la sécurité des services bancaires en ligne. "La bonne nouvelle est qu'il existe déjà de nouvelles procédures de cryptage qui protègent contre les attaques informatiques quantiques", déclare Urs Gasser, professeur de politiques publiques, de gouvernance et de technologies innovantes et directeur du "Quantum Social Lab" à la TUM. Gasser, juriste, ajoute que la transition prendra plusieurs années et qu'il est donc nécessaire de commencer dès maintenant.
"Le coût d'une arrivée trop tardive pourrait même dépasser le coût d'un retard en matière d'intelligence artificielle", prévient Gasser. Le Quantum Social Lab se concentre sur les impacts éthiques, juridiques et sociétaux des technologies quantiques émergentes. Cela inclut par exemple la question de savoir comment intégrer les citoyens dans le débat autour des nouvelles technologies, ou si seuls les pays riches devraient être en mesure de mieux planifier leurs villes grâce à l'optimisation quantique.
"La deuxième révolution quantique est un changement de paradigme qui aura un impact social, politique et économique de grande envergure", déclare le professeur Gasser. "Nous devons façonner cette révolution dans le meilleur intérêt de la société."
Fourni par l'Université technique de Munich
