Un hommage à Chiamaka Okoli, Ph.D.

J’ai manqué mes derniers cours comme étudiante à la maîtrise dans le programme PSI (Perimeter Scholars International – Boursiers internationaux de l’Institut Périmètre). Je voulais y assister — après tout, mes collègues et moi-même étions restés plongés dans ce programme intensif d’août 2012 à juin 2013. J’imaginais beaucoup d’exubérance et le sentiment d’accomplissement à la fin du dernier cours. Pendant 24 heures, c’est plutôt mon estomac qui a vécu une détestable exubérance à cause d’un vilain virus.

Trop épuisée pour me déplacer, je me vautrais dans mon appartement. Ma colocataire Chiamaka m’a demandé quel genre de nourriture je pouvais tolérer. Après le dernier cours, elle est revenue avec un repas léger du bistro Black Hole de l’Institut Périmètre. Je garde un vif souvenir de ce geste de bonté.

Chiamaka Okoli a grandi au Nigeria. Elle a obtenu là-bas un diplôme de 1^er cycle universitaire, puis participé au programme d’études supérieures du Centre international de physique théorique de Trieste, en Italie. Elle est ensuite venue à Waterloo, au Canada, pour suivre le programme PSI et faire un doctorat.

Je me souviens de la première fois que je suis venue à pied avec Chiamaka de notre résidence à l’Institut Périmètre, un matin frais d’automne en 2012. Comme j’étais beaucoup plus petite qu’elle, j’avais du mal à suivre ses grandes enjambées. Je prévoyais aussi avoir du mal à la suivre en physique théorique, étant donné son grand talent en la matière.

Que ce soit en marchant, à table pendant les repas ou dans nos moments de détente au salon, Chiamaka me parlait de sa famille, de ses amis et de son église. Les conversations avec elle étaient souvent ponctuées par son rire sonore et mélodieux, qui ressortait au milieu du bistro bondé.

Chiamaka était fascinée par la cosmologie, domaine dans lequel elle a continué d’étudier après le programme PSI. Se spécialisant dans la matière sombre, elle a obtenu son doctorat à l’Université de Waterloo malgré une maladie soudaine qui l’a frappée pendant ses études. Elle a été emportée par la maladie seulement quelques mois après l’obtention de son doctorat en 2019, laissant derrière elle son mari, un jeune fils et de nombreux souvenirs.

Les amis de Chiamaka l’ont honorée de différentes manières. L’un de mes hommages apparaît en filigrane dans mon récent ouvrage intitulé Quantum Steampunk: The Physics of Yesterday’s Tomorrow (Steampunk quantique : la physique du lendemain d’hier). Cet hommage est discret et indirect, comme l’écho d’une salutation dans un couloir; je n’avais pas assez de place pour expliquer qui était Chiamaka ou son importance à mes yeux. Cet article vise donc à expliquer l’hommage que je lui rends dans mon livre.

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Alors que Chiamaka a trouvé sa voie dans la cosmologie, j’ai pris une autre direction, à la jonction de la théorie de l’information quantique et de la thermodynamique.

Les 2 domaines me fascinaient lorsque j’y ai fait des recherches pour la première fois pendant le programme PSI, et je n’ai pas cessé d’y travailler depuis. Après avoir complété le programme PSI à l’Institut Périmètre, j’ai fait un doctorat à Caltech, puis un postdoctorat à l’Université Harvard. À l’heure actuelle, je dirige une équipe de recherche en thermodynamique au Centre conjoint d’informatique et d’information quantique de l’Institut national des normes et de la technologie des États-Unis et de l’Université du Maryland.

La thermodynamique — l’étude de l’énergie — a fait son apparition au XIX^e siècle. Pour la première fois, les usines fonctionnaient à l’aide de machines à vapeur, et des penseurs voulaient savoir jusqu’à quel point ces machines pouvaient être efficaces. La thermodynamique traditionnelle décrit des machines construites pendant la révolution industrielle : des systèmes classiques massifs et de grande taille.

Un siècle et demi plus tard, beaucoup des technologies actuelles — des lasers capables de manipuler des atomes individuels, des ordinateurs quantiques fondés sur des supraconducteurs — remettent en question le cadre de la thermodynamique traditionnelle. Mais les concepts de la thermodynamique (p. ex. ceux de chaleur, travail et efficacité) demeurent pertinents.

Par exemple, pour maîtriser les comportements quantiques de supraconducteurs, il faut refroidir les dispositifs à de basses températures. Le refroidissement, c’est-à-dire l’expulsion de la chaleur, est un processus thermodynamique. Mais la manière de définir ou de mesurer la chaleur émise par un système quantique — dont l’énergie change lorsqu’on la mesure — n’est pas claire.

Redéfinir la thermodynamique du XIX^e siècle pour des dispositifs du XXI^e siècle — des systèmes de traitement de l’information qui sont petits, quantiques et non dans un état d’équilibre — constitue un objectif de la thermodynamique quantique. Les origines de ce domaine remontent aux balbutiements de la mécanique quantique dans les années 1930. Mais la thermodynamique quantique a connu des progrès importants au cours de la dernière décennie, grâce à la jonction avec le domaine en évolution de la théorie de l’information quantique.

Les théoriciens de l’information quantique étudient comment on peut exploiter des phénomènes quantiques, par exemple l’intrication, pour traiter de l’information selon des modalités impossibles pour des systèmes classiques. Les thermodynamiciens quantiques rêvent à des machines quantiques, se demandent comment on peut exploiter l’intrication pour effectuer un travail, et étendent les lois de la thermodynamique à des systèmes de petite taille et quantiques.

Pendant mes études supérieures, j’ai été frappée par la parenté qu’il y a entre la thermodynamique quantique et le steampunk. Ce courant littéraire, artistique et cinématographique juxtapose à un contexte victorien — usines, villes sales, cravates et jupons — des technologies futuristes comme des machines à voyager dans le temps, des mouvements d’horlogerie en forme de pieuvre et des dirigeables. Mêlant le passé et l’avenir, le courant steampunk suscite une aura de nostalgie et d’aventure. Les amateurs de ce genre écrivent des histoires, confectionnent des costumes et des bijoux, portent des hauts-de-forme et se réunissent dans des congrès spécialisés.

Pour sa part, la thermodynamique quantique combine la thermodynamique victorienne et l’informatique quantique de pointe. Elle incarne le courant steampunk. Pendant mes études de doctorat, j’ai commencé à qualifier mon domaine — son esthétique et son esprit — de steampunk quantique.

Publié aujourd’hui par les Presses de l’Université Johns-Hopkins, mon nouveau livre, Quantum Steampunk: The Physics of Yesterday’s Tomorrow (Steampunk quantique : la physique du lendemain d’hier), est surtout une description du domaine : contexte, recension des résultats importants et vision de l’avenir. Mais, évoquant le volet fantastique du steampunk, chaque chapitre commence par un ornement fictif, une bribe d’un roman de steampunk quantique qui se déroule dans mon imagination.

Les personnages sont des analogues victoriens de personnages qui figurent souvent dans les expériences de la pensée en théorie de l’information quantique. Ce sont les frère et sœur Audrey et Baxter Stoqhardt (variantes des personnages Alice et Bob des protocoles dans le domaine de l’information quantique), leur ami Caspian (analogue de Charlie, qui joue souvent un rôle secondaire dans des histoires mettant en vedette Alice et Bob), de même que leur ennemi juré Ewart (qui espionne les Stoqhardt, tout comme Eve espionne Alice et Bob).

Mais il y un personnage qui, à ma connaissance, n’a d’équivalent dans aucune expérience de la pensée dans le domaine de l’information quantique : c’est le capitaine Okoli. La raison? Le capitaine Okoli est mon hommage à Chiamaka.

Le capitaine Okoli aide Audrey, Baxter et Caspian dans une quête à l’échelle planétaire. Il les transporte sur son navire vers la baie Fluctuarian (dont le nom est tiré des relations de fluctuation, généralisations du second principe de la thermodynamique), puis les conseille sur la manière de parvenir au village de Singledon (évoquant la thermodynamique ponctuelle, qui décrit des essais expérimentaux uniques).

On ne peut atteindre Singledon qu’en prenant un autocar à nacelle monté sur de fines pattes, comme celles d’une mante religieuse, qui parcourt la campagne à grandes enjambées. Ce trajet chancelant et inconfortable évoque la nature stochastique des processus qui font intervenir de la chaleur. Le capitaine Okoli a inventé l’autocar à nacelle avec sa sœur.

L’esprit d’invention du capitaine Okoli reflète la créativité dont Chiamaka faisait preuve dans ses recherches en cosmologie. La manière du capitaine Okoli de naviguer dans d’étranges eaux et sa connaissance de contrées lointaines évoquent la vie consacrée à la découverte scientifique menée par Chiamaka. Et la générosité du capitaine Okoli envers Audrey, Baxter et Caspian font écho à l’amabilité de Chiamaka en tant que colocataire.

Tous ceux d’entre nous qui ont connu Chiamaka aimeraient qu’elle soit encore parmi nous pour continuer d’inventer, de découvrir. J’espère qu’elle continuera de vivre dans ce livre — sous les traits du capitaine vif et innovateur — comme son rire résonne encore dans nos souvenirs.

Ancienne étudiante à la maîtrise dans le programme PSI (Perimeter Scholars International – Boursiers internationaux de l’Institut Périmètre), Nicole Yunger Halpern est membre du Centre conjoint d’informatique et d’information de l’Université du Maryland. Publié par les Presses de l’Université Johns-Hopkins, son nouvel ouvrage, intitulé Quantum Steampunk: The Physics of Yesterday’s Tomorrow (Steampunk quantique : la physique du lendemain d’hier), est en vente entre autres chez Chapters Indigo et Words Worth Books (à Waterloo).