Les scientifiques britanniques Michael Kosterlitz, David Thouless et Duncan Haldane ont reçu le prix Nobel de physique "pour les découvertes théoriques des transitions de phase topologiques et des phases topologiques de la matière". Les mots «découvertes théoriques» font douter que leur travail aura une application pratique ou pourra influencer nos vies à l'avenir. Mais tout peut s'avérer être exactement le contraire.
Pour comprendre le potentiel de cette découverte, il sera utile d'acquérir une compréhension de la théorie. La plupart des gens savent qu'il y a un noyau à l'intérieur d'un atome et que des électrons tournent autour de lui. Cela correspond à différents niveaux d'énergie. Lorsque les atomes se regroupent et créent une sorte de matière, tous les niveaux d'énergie de chaque atome se combinent pour créer des zones d'électrons. Chaque soi-disant bande d'énergie d'électrons a de la place pour un certain nombre d'électrons. Et entre chaque zone, il y a des espaces dans lesquels les électrons ne peuvent pas se déplacer.
Si une charge électrique (un flux d'électrons supplémentaires) est appliquée à un matériau, sa conductivité est déterminée par le fait que la zone d'électrons avec le plus d'énergie a de la place pour de nouveaux électrons. Si tel est le cas, le matériau se comportera comme un conducteur. Sinon, une énergie supplémentaire est nécessaire pour pousser le flux d'électrons dans une nouvelle zone vide. En conséquence, ce matériau se comportera comme un isolant. La conductivité est essentielle à l'électronique car les composants tels que les conducteurs, les semi-conducteurs et les diélectriques sont au cœur de ses produits.
Les prédictions de Kosterlitz, Thouless et Haldane dans les années 1970 et 1980 sont que certains matériaux n'obéissent pas à cette règle. Certains autres théoriciens soutiennent également leur point de vue. Ils ont suggéré qu'au lieu des écarts entre les zones d'électrons, là où ils ne peuvent pas être, il existe un niveau d'énergie spécial dans lequel des choses différentes et très inattendues sont possibles.
Cette propriété n'existe qu'en surface et aux bords de tels matériaux et est extrêmement robuste. Dans une certaine mesure, cela dépend également de la forme du matériau. En physique, cela s'appelle la topologie. Dans un matériau en forme de sphère ou, par exemple, un œuf, ces propriétés ou caractéristiques sont identiques, mais dans un beignet elles diffèrent en raison d'un trou au milieu. Les premières mesures de ces caractéristiques ont été faites par le courant le long de la limite de la feuille plate.
Les propriétés de tels matériaux topologiques peuvent être extrêmement utiles. Par exemple, un courant électrique peut circuler sur leur surface sans aucune résistance, même lorsque l'appareil est légèrement endommagé. Les supraconducteurs le font même sans propriétés topologiques, mais ils ne peuvent fonctionner qu'à des températures très basses. Autrement dit, une grande quantité d'énergie ne peut être utilisée que dans un conducteur refroidi. Les matériaux topologiques peuvent faire de même à des températures plus élevées.
Cela a des implications importantes pour le travail assisté par ordinateur. La majeure partie de l'énergie consommée par les ordinateurs aujourd'hui va aux ventilateurs pour réduire les températures causées par la résistance dans les circuits. En éliminant ce problème de chauffage, les ordinateurs peuvent devenir beaucoup plus écoénergétiques. Par exemple, cela conduira à une réduction significative des émissions de carbone. De plus, il sera possible de fabriquer des batteries avec une durée de vie beaucoup plus longue. Les scientifiques ont déjà commencé des expériences avec des matériaux topologiques tels que le tellurure de cadmium et le tellurure de mercure pour mettre la théorie en pratique.
De plus, des percées majeures dans le domaine de l'informatique quantique sont possibles. Les ordinateurs classiques codent les données en appliquant ou non une tension au microcircuit. En conséquence, l'ordinateur interprète ceci comme 0 ou 1 pour chaque bit d'information. En rassemblant ces bits, nous créons des données plus complexes. Voilà comment fonctionne un système binaire.
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En matière d'informatique quantique, nous fournissons des informations aux électrons, pas aux microcircuits. Les niveaux d'énergie de ces électrons correspondent à des zéros ou à des uns comme dans les ordinateurs classiques, mais en mécanique quantique, cela est possible simultanément. Sans entrer dans trop de théorie, disons simplement que cela donne aux ordinateurs la possibilité de traiter de très grandes quantités de données en parallèle, ce qui les rend beaucoup plus rapides.
Des entreprises comme Google et IBM mènent des recherches pour essayer de comprendre comment utiliser la manipulation des électrons pour créer des ordinateurs quantiques beaucoup plus puissants que les ordinateurs classiques. Mais il y a un obstacle majeur en cours de route. Ces ordinateurs sont mal protégés des «interférences sonores» environnantes. Si un ordinateur classique est capable de gérer le bruit, alors un ordinateur quantique peut produire une grande variété d'erreurs en raison de trames instables, de champs électriques aléatoires ou de molécules d'air qui pénètrent dans le processeur même lorsqu'elles sont maintenues sous vide. C'est la raison principale pour laquelle nous n'utilisons pas encore d'ordinateurs quantiques dans notre vie quotidienne.
Une solution possible est de stocker les informations non pas dans un, mais dans plusieurs électrons, car les interférences affectent généralement les processeurs quantiques au niveau des particules individuelles. Supposons que nous ayons cinq électrons qui stockent collectivement le même bit d'information. Par conséquent, s'il est stocké correctement dans la plupart des électrons, les interférences affectant un seul électron ne gâcheront pas l'ensemble du système.
Les scientifiques expérimentent ce qu'on appelle le vote à la majorité, mais l'ingénierie topologique peut offrir une solution plus simple. Tout comme les supraconducteurs topologiques peuvent conduire le flux d'électricité suffisamment bien pour que la résistance n'interfère pas avec lui, les ordinateurs quantiques topologiques peuvent être assez fiables et insensibles aux interférences. Cela pourrait contribuer grandement à faire de l'informatique quantique une réalité. Les scientifiques américains y travaillent activement.
Futur
Cela peut prendre 10 à 30 ans aux scientifiques pour apprendre à manipuler suffisamment bien les électrons pour que l'informatique quantique devienne possible. Mais des opportunités assez intéressantes émergent déjà. Par exemple, ces ordinateurs peuvent simuler la formation de molécules, ce qui est quantitativement difficile pour les ordinateurs traditionnels d'aujourd'hui. Cela a le potentiel de révolutionner la production de médicaments, car nous serons en mesure de prédire ce qui se passera dans le corps au cours des processus chimiques.
Voici un autre exemple. Un ordinateur quantique peut transformer l'intelligence artificielle en réalité. Les machines quantiques apprennent mieux que les ordinateurs classiques. Cela est en partie dû au fait que des algorithmes beaucoup plus intelligents peuvent y être installés. La solution au mystère de l'intelligence artificielle deviendra un changement qualitatif dans l'existence de l'humanité - cependant, on ne le sait pas, pour le meilleur ou pour le pire.
En bref, les prédictions de Kosterlitz, Thouless et Haldane pourraient révolutionner la technologie informatique au 21e siècle. Si le comité Nobel a reconnu l'importance de son travail aujourd'hui, alors nous les remercierons sûrement pour de nombreuses années à venir.
