Dieu ne joue pas aux dés

"Dieu ne joue pas aux dés" est la phrase célèbre prononcée par Einstein au congrès de Solvay en 1927. "Gott würfelt nicht".






Par cette phrase, Einstein exprimait son opposition à l'interprétation probabiliste de la mécanique quantique.

A partir d'une situation donnée, plusieurs issues sont possibles, une même cause donne lieu à  plusieurs effets entre lesquels Dieu choisirait d'un coup de dé. Pour Einstein cela heurte bien trop sa vision du monde. La nature n'obéit pas au pur hasard. 

Bits et qubits

Le mot bit est la contraction de binary digit (chiffre binaire). Le bit est la plus petite unité d'information d'un ordinateur classique pouvant prendre les valeurs 0 (absence de courant) ou 1 (présence de courant).

Le qubit (ou bit quantique) est la plus petite unité d'information d'un ordinateur quantique pouvant prendre les valeurs 0 et 1 simultanément. C'est la superposition des valeurs 0 et 1 prises par certaines microparticules qui permet à un ordinateur quantique de traiter une multitude de problèmes en même temps.

Quand un ordinateur classique traite, par exemple, 30 données, on démontre qu'un ordinateur quantique en traite                   2³⁰ = 1 073 741 824 (plus d'un milliard!) simultanément.

Une image simple pour se rendre compte de cette surprenante propriété: un ordinateur quantique serait capable de lire tous les livres d'une bibliothèque simultanément, alors qu'un ordinateur classique ne permettrait de lire ces livres que l'un après l'autre.

Un ordinateur quantique serait capable de retrouver quasi instantanément une information particulière sur des milliards de milliards de données engendrées par l'humanité. A titre de comparaison, cela signifierait qu'il serait capable de retrouver immédiatement un grain de sable particulier sur des milliards de milliards de grains de sable de notre planète, alors qu'il faudrait des milliers et des milliers d'heures pour y arriver avec un ordinateur classique.

La superposition de plusieurs états

La position, la vitesse, l'énergie, etc,.... sont des états d'une particule. En physique quantique un état est lui-même la superposition de plusieurs états simultanément.
Par exemple un électron envoyé sur un écran peut se trouver, en même temps, à un endroit, à un autre, à un autre,.... et atteindre plusieurs vitesses à la fois.
C'est cette simultanéité qui est surprenante.

Le hasard

Einstein disait "Dieu ne joue pas aux dés" car les mesures d'un état sont bien aléatoires, elles sont le fruit du hasard, avec une probabilité de se réaliser et non une certitude.
Dans l'exemple précédent, chacune des positions ou des vitesses de l'électron ont une certaine probabilité (nombre compris entre 0 et 1) de se produire.

La décohérence quantique

Hélas, ces mystérieux et merveilleux qubits sont malheureusement bien fragiles et bien difficiles à obtenir!
Les transistors (ou puces électroniques ou microprocesseurs) des ordinateurs classiques sont remplacés par des microparticules (ions, électrons, photons, atomes,...) qui doivent être piégées à très basse température (près de -273° C). 

Ces dernières années de nombreux progrès ont été faits sur le temps de "décohérence" période durant laquelle les microparticules conservent leurs fameuses propriétés de dédoublement. Mais ce temps est encore très insuffisant, une heure ou deux seulement.

L'état quantique des particules est hautement sensible aux interférences de l'extérieur.

Et enfin, plus on assemble de qubits, plus le système de qubits grossit et perd ses propriétés quantiques.

L'intrication

Une interaction en un endroit d'une particule a une répercussion immédiate sur une autre particule en un autre endroit. On dit alors que les deux particules sont intriquées : les états de l'une dépendent des états de l'autre.

La vitesse de calcul des algorithmes quantiques

C'est en un temps record que ces algorithmes décomposent un nombre en produit de nombres premiers, cassent la plupart des systèmes de cryptographie, cassent le chiffrement des transactions bancaires ou les codages permettant d'échanger des secrets d'état.

 

Les ordinateurs quantiques actuels

IBM  Q

IBM Q est un ordinateur quantique de 5 qubits proposé aux entreprises. Plus tard IBM proposera 50 qubits.

Un ordinateur quantique chinois

Les chercheurs chinois viennent de construire un ordinateur quantique utilisant des photons (l'intrication de 5 photons). Cet ordinateur serait capable de surclasser tous les super ordinateurs classiques.

Un circuit quantique de l'ordinateur chinois

D-Wave

Les ordinateurs de la Société canadienne D-Wave sont-ils des ordinateurs quantiques ou non? Un doute subsiste. Certains scientifiques affirment avec force que le système D-Wave est bien un ordinateur quantique, d'autres le nient avec autant de force.
Le 2000 Q de D-Wave est présenté comme un ordinateur quantique à 2000 qubits. Son prix: 15 millions de dollars.

 Le simulateur quantique Atos                                                                                                   

Les qubits étant fragiles, difficiles à conserver, Atos , l'une des plus grandes entreprises mondiales du numérique, française, a construit un puissant ordinateur classique le QLM (Quantum Learning Machine) capable de simuler, de reproduire virtuellement le fonctionnement d'un ordinateur quantique de 30 à 40 qubits. Atos  (dont le PDG est Thierry Breton) est la plus importante coopération industrielle franco allemande depuis Airbus.

Conclusion

Comme l'Intelligence Artificielle, comme les robots, nous devons prendre garde des effets néfastes et dangereux de ces nouvelles technologies. Mais ces technologies sont tellement surprenantes et nous apportent des progrès partout, dans tous les domaines!

Jusqu'à la fin de sa vie, Einstein s'est débattu  avec la physique quantique, persuadé qu'elle n'est qu'un cas particulier d'une théorie qui reste à découvrir, une théorie qui unifierait enfin ses deux enfants terribles: la relativité générale et la physique quantique.

Matière noire et énergie noire

On est toujours intrigués et fascinés à la fois par la matière noire et l'énergie noire, ces deux composantes mystérieuses de l'Univers . On sait qu'elles existent et qu'elles se manifestent partout dans l'Univers.

On ne voit pas la matière noire, mais on sait qu'elle est à l'intérieur des galaxies et qu'elle entoure aussi chaque galaxie.

 

La matière noire est à l'intérieur des galaxies

Donnons un exemple:

Une galaxie spirale est un ensemble de quelques centaines de milliards d'étoiles rassemblées en spirales dans un disque avec un renflement central sphérique lumineux appelé bulbe (notre Voie Lactée est une galaxie spirale barrée, le bulbe étant traversé par une barre d'étoiles,voir "les galaxies" du 18/02/2018).

Voici deux graphiques représentant la vitesse de rotation d'une étoile en fonction de sa distance au centre du bulbe. On a remarqué que l'étoile tourne à une vitesse non pas décroissante selon les lois de Képler (courbe A), mais à une vitesse constante (courbe B ). C'est la matière noire qui maintient cette vitesse  constante. L'étoile est comme dans un cocon de matière noire.

 

 

La matière noire entoure chaque galaxie

Chaque galaxie est aussi dans un cocon de matière noire. C'est un halo qui enveloppe la galaxie et la maintient par la gravitation.

On a observé (photo ci-dessus) avec le télescope spatial Hubble et le VLT(l'ensemble de télescopes de l'ESO au Chili) un halo de matière noire enveloppant quatre galaxies de l'amas de galaxies Abell 3827. Chance inespérée: ces observations ont été faites précisément au moment où ces galaxies sont sur le point de fusionner.

On voit aussi un grand arc bleuté entourant les galaxies, c'est l'image d'une galaxie lointaine. Cette image est donnée par la matière noire fonctionnant comme une lentille, une lentille gravitationnelle.

 L'énergie noire

L'Univers est en expansion
Au début du Big Bang l'Univers gonfle, gonfle comme un ballon, indéfiniment. La vitesse de fuite v d'une galaxie est donnée par la loi de Hubble: v = H₀ d , H₀ étant la constante de Hubble et d la distance de la galaxie à la nôtre (la Voie Lactée). Cette fuite se traduit par un redshift, décalage vers le rouge du spectre d'une étoile qui s'éloigne (voir mon article"redshift et blueshift" du 09/01/2017)

L'énergie noire accélère l'expansion

 En 1998 deux équipes, l'une de Saul Perlmutter (États Unis), l'autre de Brian Schmidt (Australie) et Adam Riess (États Unis), de manière indépendante, annoncèrent que l'expansion de l'Univers était en pleine accélération, en s'appuyant sur l'observation de supernovae (explosions d'étoiles en fin de vie). Ces supernovae se révélèrent moins lumineuses et plus éloignées que ce que l'on pouvait déduire de la loi de Hubble. Ces résultats furent confirmés par la suite et les deux équipes eurent le prix Nobel de Physique en 2011.

Alors que la matière noire exerce une force d'attraction, la gravitation, l'énergie noire au contraire est une force répulsive entre les galaxies qui surmonterait l'attraction de la gravitation et expliquerait que l'expansion de l'Univers s'accélère.

L'énergie noire est la composante la plus importante de l'Univers

Pourcentages déduits des observations du satellite Planck, l'énergie noire (appelée aussi énergie sombre) est la composante principale de l'Univers.

Origines de la matière noire et de l'énergie noire

De quoi est faite la matière noire? C'est un grand mystère. Il y a deux sortes de matière noire:

• La matière noire baryonique composée, comme la matière ordinaire, de particules élémentaires appelées baryons: les protons et les neutrons.
• La matière noire non baryonique ou exotique composée de particules hypothétiques : neutralino, WIMP (weakly interacting massive particle),  MACHO (massive astronomical compact halo object), Axion, boson de Higgs peut-être??

Certains cosmologistes pensent qu'il y aurait eu une succession d'univers qui constitueraient ce qu'on appelle le multivers dont notre Univers (avec un U majuscule) ferait partie. La matière noire et l'énergie noire de notre Univers proviendraient de l'un de ces univers, comme l'origine du Big Bang (voir mon article "Avant le Big Bang"du 22/12/2017). 

Nombreux sont ceux qui pensent que les origines sont divines. C'est Dieu qui a créé l'Univers avec de la matière noire et de l'énergie noire pour parfaire ce monde merveilleux dans lequel nous vivons et que nous devons ménager!.....