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Les promesses du contrôle quantique
Laser, microprocesseur, GPS, imagerie par résonance magnétique… Aujourd’hui, sans qu’on s’en rende compte, de nombreuses techniques utiles dans la vie de tous les jours n’auraient pas pu voir le jour sans la mécanique quantique, une théorie inventée dans les années 1920 qui décrit les phénomènes physiques à l’échelle des atomes. « Mais aussi importantes soient-elles, ces applications s’appuient seulement sur une compréhension passive des lois quantiques, note Dominique Sugny, du Laboratoire interdisciplinaire Carnot de Bourgogne1, à Dijon, et de l’Institute for Advanced Study de Munich, en Allemagne. Désormais, les chercheurs veulent aller plus loin, en contrôlant activement les objets à cette échelle. » Discipline en plein développement, le contrôle quantique, qui vise à manipuler des atomes, des photons ou autres électrons afin de leur faire réaliser des tâches bien déterminées, pourrait, dans les années qui viennent, révolutionner plus encore notre quotidien.
Une méthode inspirée par l’aéronautique
Le contrôle quantique a fait ses balbutiements dans les années 1980. Les physiciens et les chimistes rêvaient alors de pouvoir contrôler les réactions chimiques par laser. L’idée étant que, lorsque l’on éclaire une molécule avec un laser, celui-ci y dépose de l’énergie, ce qui met en mouvement les noyaux atomiques et les électrons, impliqués dans les liaisons chimiques. Si la fréquence du rayonnement correspond exactement à celle à laquelle vibrent les liaisons chimiques, on peut alors « exciter » des liaisons qui se retrouvent fragilisées et se cassent plus facilement. Certaines réactions, plutôt que d’autres, se voient ainsi favorisées.
Les premières expériences ne tardent pas à se mettre en place. Mais rapidement, on s’aperçoit que l’exercice est beaucoup plus compliqué que prévu. Car, en pratique, l’énergie déposée sur une liaison se répartit vite sur l’ensemble de la molécule. Au point que l’on ne maîtrise plus grand-chose. « Les premiers essais de contrôle par laser relevaient plutôt de méthodes empiriques reposant sur des arguments qualitatifs, confie Dominique Sugny. Restait encore à mettre au point une stratégie de contrôle efficace. »
Pour y parvenir, les physiciens et les chimistes s’inspirent alors d’une théorie développée trente ans plus tôt pour décrire les objets macroscopiques du monde classique : la théorie du contrôle optimal. Celle-ci consiste à rechercher une solution sous la forme mathématique d’un problème d’optimisation qu’on peut résoudre numériquement. C’est ce principe qui a été utilisé, par exemple, dans les années 1960 en aéronautique militaire pour optimiser les trajectoires de montée en altitude des avions de chasse, où il a permis de diviser par deux les temps de montée avec des trajectoires contraires à l’intuition. Ou encore au cours du programme lunaire américain Apollo pour trouver les trajectoires minimisant le plus possible la consommation de carburant pour atteindre notre satellite naturel.
Maîtriser l’étrangeté quantique
Le contrôle quantique n’est donc pas qu’une histoire de physiciens et de chimistes. Ces derniers doivent s’entourer également de mathématiciens pour concevoir des algorithmes de calcul performants. Mais transposer les idées du contrôle optimal du monde classique au monde quantique s’est révélé une tâche ardue. « Il aura fallu attendre les années 2000, et le développement de moyens de calculs suffisamment puissants, pour atteindre cet objectif », souligne Dominique Sugny, membre du projet européen Quaint, qui met en réseau 17 laboratoires du Vieux Continent travaillant sur le contrôle quantique.
décrivant
les phénomènes
quantiques
sont autrement
plus complexes
que celles régissant
les systèmes
classiques.
Il faut dire que les équations décrivant les phénomènes quantiques sont autrement plus complexes que celles régissant les systèmes classiques. Cela vient du fait que les particules microscopiques possèdent des propriétés incompatibles avec celles des objets macroscopiques. Première propriété déroutante : la superposition d’états. Prenons un électron. Celui-ci ne se trouve pas vraiment ici ou là autour du noyau de l’atome mais à plusieurs endroits à la fois. Et il ne se déplace pas à une vitesse donnée mais à plusieurs vitesses à la fois. Ce n’est qu’en effectuant une mesure sur l’électron que celui-ci apparaît alors à une position et à une vitesse bien précise. Avant toute mesure, les physiciens doivent donc considérer que l’électron est simultanément dans plusieurs états possibles.
Autre propriété déconcertante : l’intrication. Deux objets quantiques de même nature, des photons par exemple, peuvent former un seul et même système. Leurs états physiques sont alors corrélés. Quelle que soit la distance qui sépare ces deux objets, une mesure sur l’un affecte l’autre de façon instantanée. Ce sont précisément ces deux effets – la superposition et l’intrication – que le contrôle quantique tente d’exploiter de la manière la plus efficace possible.
Contrôler les réactions chimiques
Disposant d’une méthode générale pour contrôler leurs systèmes quantiques, les scientifiques font alors des pas de géant, d’abord dans le contrôle des réactions chimiques par laser. Les simulations numériques permettent ainsi d’identifier l’onde adéquate à envoyer sur la molécule : cette impulsion lumineuse doit comporter des modulations significatives d’amplitude et de fréquence sur des temps extrêmement courts – de quelques dizaines de femtoseconde, 10–15 secondes – comparables aux périodes de vibrations propres de la molécule.
des chimistes
ont réussi à créer
une liaison entre
deux atomes
de magnésium.
Une première.
Aujourd’hui, grâce au contrôle par laser, les chimistes parviennent à casser préférentiellement des liaisons sur des molécules de plus en plus complexes. Et ils ont même réussi, en juin dernier, non pas à détruire, mais à créer une liaison entre deux atomes de magnésium2. Une première. Et une étape cruciale si l’on veut pouvoir un jour contrôler des réactions chimiques d’un bout à l’autre de la chaîne.
Manipuler les mémoires quantiques
Il est un autre domaine de recherche où l’on attend énormément du contrôle quantique : l’information quantique. Cette discipline vise à développer des moyens de calcul et de communication utilisant la logique quantique. Le Graal est la mise au point d’un ordinateur quantique, qui serait capable de résoudre des problèmes inaccessibles aux ordinateurs traditionnels.
Dans un ordinateur classique, l’information élémentaire, le bit, ne peut prendre que deux valeurs, 0 ou 1, selon le passage ou non du courant électrique à travers un transistor. Mais, dans un ordinateur quantique, le bit quantique (ou qubit), qui repose sur l’état d’un système quantique (atome, ion, photon, circuit supraconducteur…), peut, du fait de la superposition d’états, se retrouver dans ces deux états en même temps. De plus, lorsque deux qubits interagissent, leurs états physiques s’enchevêtrent, du fait de l’intrication.
Grâce à ces deux phénomènes, un ordinateur quantique peut, en théorie, avoir accès à la totalité des résultats en une seule étape quand un ordinateur classique doit traiter l’information un résultat après l’autre. Ce qui permettrait de réduire considérablement les temps de calcul.
Mais on est loin encore de la réalisation d’un tel ordinateur. Aujourd’hui, les physiciens ne parviennent à coupler au mieux qu’une vingtaine de qubits entre eux. Or, pour augmenter les capacités de calcul d’un ordinateur quantique, il faut manipuler bien plus de qubits. Le problème, c’est que cela augmente les chances de ces derniers d’interagir avec leur environnement (lumière parasite, champ magnétique, etc.) et de perdre alors leurs propriétés quantiques. Ce phénomène, baptisé décohérence, est le principal obstacle à la mise au point d’ordinateurs de ce type.
Le contrôle quantique vise justement à pallier cet effet néfaste. Comment ? En détectant les erreurs dues à la décohérence et en les corrigeant en temps réel. Un exercice qui semble impossible en théorie, puisque la mécanique quantique stipule que, pour mesurer une particule, il faut que celle-ci interagisse avec un détecteur matériel et donc se détruise – du fait de la décohérence.
Mais les chercheurs ne manquent pas d’imagination pour lever ces obstacles et, en 2011, une avancée majeure a été accomplie par l’équipe de Serge Haroche, du Laboratoire Kastler Brossel3, à Paris, Prix Nobel de physique en 2012. Le groupe de physiciens est parvenu à stabiliser le nombre de photons piégés dans une cavité supraconductrice4. Au préalable, les chercheurs avaient réussi à mesurer les photons sans les détruire. Et cette mesure avait généré un signal micro-onde qui réintroduisait un photon à l’instant approprié. Cette prouesse laisse entrevoir la possibilité de corriger un jour en temps réel les bits d’un ordinateur quantique. Même si les défis théoriques et expérimentaux demanderont encore beaucoup de travail pour être surmontés.
Améliorer la résolution des IRM
Autre champ d’application du contrôle quantique : l’imagerie par résonance magnétique (IRM). Si cet outil permet déjà d’aboutir à des diagnostics très précis, le contrôle quantique pourrait permettre d’améliorer plus encore ces derniers. L’IRM repose sur le principe de la résonance magnétique nucléaire : placés dans un champ magnétique, certains noyaux d’atomes peuvent absorber de l’énergie avant de la relâcher. L’énergie mise en jeu lors de ce phénomène de résonance correspond à une fréquence très précise qui dépend du champ magnétique appliqué et de l’environnement chimique de ces noyaux – les autres noyaux voisins et les électrons. En mesurant la fréquence de résonance, on peut remonter à la nature de la molécule et à sa position dans l’espace. Et ainsi obtenir une image des tissus et des organes.
Or ces images sont d’autant plus contrastées – et révèlent ainsi plus de détails – que le champ magnétique est soumis à des variations spécifiques d’amplitude et de fréquence. En utilisant la théorie du contrôle optimal, toujours elle, une équipe de chercheurs, dont Dominique Sugny, est parvenue à déterminer les profils de champ magnétique à appliquer pour obtenir le meilleur contraste possible d’une image pour des conditions expérimentales données. Les physiciens ont validé ensuite avec succès cette approche par une expérience test in vitro où ils ont pu distinguer dans une solution organique une zone reproduisant du sang sous sa forme oxygénée et une autre sous sa forme désoxygénée5
La prochaine étape sera d’appliquer ces concepts in vivo. « Nous espérons y parvenir d’ici à cinq ans », s’enthousiasme Dominique Sugny. Si ces tests se révélaient concluants, ils apporteraient un progrès considérable en matière d’IRM. Car ils permettraient de limiter l’utilisation des agents de contraste, une technique chimique d’amélioration de l’image pouvant présenter des risques pour le patient. On n’a pas fini de parler des bienfaits du contrôle quantique.
- 1. Unité CNRS/Univ. de Bourgogne.
- 2. « Coherent Control of Bond Making », L. Levin et al., Phys. Rev. Lett., 2015, vol. 114, 233003.
- 3. Unité CNRS/ENS/UPMC/Collège de France.
- 4. « Real-time Quantum Feedback Prepares and Stabilizes Photon Number States », C. Sayrin et al., Nature, 2011, vol. 477 : 73–77.
- 5. « Exploring the Physical Limits of Saturation Contrast in Magnetic Resonance Imaging », M. Lapert et al., Nature, Scientific Reports 2, 2012, vol. 589.
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Auteur
Julien Bourdet, né en 1980, est journaliste scientifique indépendant. Il a notamment travaillé pour Le Figaro et pour le magazine d’astronomie Ciel et Espace. Il collabore également régulièrement avec le magazine La Recherche.