Les anciens de l’IP — Nicole Yunger Halpern et le steampunk quantique

Nicole Yunger Halpern souffre d’une affection dont sont atteints beaucoup de jeunes gens brillants qui passent par l’Institut Périmètre. Voici comment elle décrit son problème : « J’ai une passion incurable pour tout. »

Il n’existe aucun traitement contre la curiosité insatiable, mais M^me Yunger Halpern s’est adaptée à son état en choisissant un domaine où elle peut toucher à beaucoup de choses : « Physique quantique, théorie de l’information et thermodynamique, avec un peu de physique atomique, moléculaire et optique, un peu de physique de la matière condensée et des hautes énergies, ainsi que de la chimie. »

Elle appelle cela du steampunk quantique, en référence au courant littéraire rétrofuturiste inspiré par la révolution industrielle du XIX^e siècle. Le titre de son livre à paraître l’évoque aussi : Quantum Steampunk: The Physics of Yesterday’s Tomorrow (Steampunk quantique : la physique du lendemain d’hier). Le but du domaine qu’elle a choisi : réinventer la thermodynamique pour l’ère quantique.

« Au XIX^e siècle, les machines à vapeur ont transformé le monde, dit M^me Yunger Halpern. La thermodynamique a commencé par une étude pratique de leur fonctionnement et de la manière dont on pourrait les rendre plus efficaces. Mais elle en est venue à aborder des questions fondamentales, par exemple celle-ci : Pourquoi le temps s’écoule-t-il toujours dans le même sens? »

Les ingénieurs du XIX^e siècle tiraient un travail de gaz chauffés — de la vapeur. Les physiciens ont mis au point des outils pour comprendre l’agitation et les collisions de trillions de trillions de molécules, en les décrivant à l’aide de statistiques et de propriétés macroscopiques telles que la température et la pression.

De nos jours, les chercheurs du XXI^e siècle tirent un travail d’électrons individuels et examinent les machines moléculaires de cellules vivantes. Les outils du XIX^e siècle ont du mal à traiter des choses qui sont essentielles dans ce contexte, par exemple l’intrication quantique. « Nous avons donc besoin, dit M^me Yunger Halpern, d’outils pour adapter les anciennes notions à l’ère moderne. »

Son laboratoire de steampunk quantique vise à mettre au point de tels outils.

Nicole Yunger Halpern est une ancienne de l’Institut Périmètre — elle fait partie de la promotion 2013 du programme PSI (Perimeter Scholars International – Boursiers internationaux de l’Institut Périmètre). Après avoir obtenu sa maîtrise dans le cadre du programme PSI, elle a fait un doctorat à Caltech, sous la direction de John Preskill, puis un stage postdoctoral à l’Université Harvard. Elle vient tout juste de s’installer dans la région de Washington, D.C., où elle est physicienne à l’Institut national des normes et de la technologie des États-Unis et professeure auxiliaire à l’Université du Maryland.

Elle pourrait aussi être la seule physicienne dont la première page de la thèse de doctorat est illustrée par une machine à voyager dans le temps, un haut-de-forme et plusieurs costumédiens. C’est le genre d’entrée en matière qui demande une explication.

« Lorsque j’étais étudiante, dit-elle, je n’avais pas beaucoup de temps libre pour lire. » Mais elle s’empresse de mentionner quelques livres qu’elle a quand même pu lire. « Jay Ruzesky a écrit un ouvrage de fiction sur une horloge astronomique, raconte-t-elle. Je me souviens en particulier d’une scène sur une fabrique d’automates. Cela a déclenché quelque chose en moi. »

Elle avait découvert le steampunk : un courant rétrofuturiste qui utilise les codes de la science-fiction de l’ère victorienne — pensez à Jules Verne ou à H.G. Wells — pour poser de nouvelles questions.

M^me Yunger Halpern a commencé à laisser ses travaux s’inspirer de l’esprit steampunk — à la fois ludique et critique, alimenté par des juxtapositions inattendues, se régalant de nouvelles manières de voir les choses, comme avec diverses lentilles que l’on rabat sur des lunettes de protection.

La première juxtaposition inattendue a été celle de l’information et de l’énergie. Au cours de la dernière année de ses études de 1^er cycle, elle a suivi un cours dans lequel le professeur parlait de cette relation. « J’étais fascinée par les expériences de la pensée qu’il proposait, par cette relation dans son ensemble, dit-elle. J’ai éprouvé un sursaut d’excitation. »

Un jeu de lentilles s’est mis en place, et la chercheuse a commencé à s’intéresser à la thermodynamique — l’étude des déplacements d’énergie — à travers le prisme de la théorie de l’information quantique. Dans le programme PSI, elle a rédigé son mémoire final de recherche sur l’information quantique, sous la direction du professeur Robert Spekkens ainsi que de Markus P. Mueller, alors postdoctorant à l’Institut.

Elle s’inscrivait alors dans un mouvement plus général. Dans les années 2000, les méthodes de la théorie de l’information quantique ont envahi le reste de la physique.

« À ce moment-là, dit M^me Yunger Halpern, la théorie de l’information quantique était suffisamment élaborée pour pouvoir être appliquée à des choses comme les trous noirs. » Les outils nouveaux et performants de l’information quantique permettaient de décomposer et de résoudre des problèmes difficiles dans divers autres sous-domaines. De toutes nouvelles avenues de recherche s’ouvraient.

La thermodynamique quantique a bénéficié de ce mouvement. Même si le domaine est relativement ancien — certains travaux ont été effectués dans les années 1930, puis d’autres dans les années 1980 et 1990 —, la thermodynamique quantique moderne repose sur l’application des outils de la théorie de l’information quantique à la thermodynamique.

Le lien n’est peut-être pas évident, mais il est bien réel. Prenons par exemple l’entropie, qui est étudiée comme une mesure de la chaleur et aussi comme une mesure de l’ignorance.

« Supposons que nous voulions utiliser l’intrication pour partager de l’information dans un certain canal », écrit M^me Yunger Halpern dans le magazine Scientific American. « Nous pourrions nous demander s’il y a une limite théorique à l’efficacité avec laquelle nous pouvons accomplir cette tâche. La réponse dépend probablement de l’entropie. »

Si cela est de la thermodynamique quantique, qu’est-ce que le steampunk quantique? « En partie, c’est seulement un nom que je donne à ce domaine », dit M^me Yunger Halpern. Mais c’est aussi une saveur, une perspective, une manière de voir les choses — pas seulement un lustre à la Jules Verne, mais une nouvelle exploration de sentiers du XIX^e siècle par des randonneurs du XXI^e siècle.

À titre d’exemple, comme la thermodynamique est venue de l’étude des machines à vapeur, les adeptes du steampunk quantique travaillent sur des machines quantiques. M^me Yunger Halpern a publié une description théorique d’une telle machine, appelée mobile de localisation à N corps.

Même si elle ne bricole pas physiquement des machines quantiques, son travail n’est pas que théorique. « Une chose que j’adore faire est de trouver des problèmes pour lesquels j’ai la moitié des outils nécessaires et pour lesquels il y a des chercheurs dans d’autres domaines qui ont l’autre moitié. C’est merveilleux de faire un bout de chemin avec des gens généreux qui m’enseignent leurs outils de telle sorte que nous puissions résoudre un problème ensemble. »

Elle cite en exemple des travaux qu’elle a faits en partenariat avec un chimiste de l’Université de la Californie à Berkeley, « afin de fixer des limites à la probabilité qu’un commutateur moléculaire bascule ». Les commutateurs moléculaires sont des molécules complexes qui absorbent des photons pour changer de configuration. Une meilleure connaissance des commutateurs moléculaires serait utile partout où l’on trouve de tels commutateurs — qu’il s’agisse de l’œil humain ou des plus récents dispositifs de stockage de carburant solaire.

M^me Yunger Halpern savoure la chance de travailler avec des expérimentateurs — pas seulement par plaisir, mais pour l’avancement de son domaine. « J’aimerais vraiment qu’il y ait davantage d’expériences de thermodynamique quantique, dit-elle. Nous élaborons un cadre théorique, mais nous avons aussi besoin d’expériences. » Comme l’âge de la vapeur l’a prouvé, la science progresse quand la théorie et l’expérience avancent main dans la main.

Si cela se produit, attendez-vous à ce que la thermodynamique quantique progresse à toute vapeur. La technologie se miniaturise et devient davantage quantique. Pour donner des exemples de steampunk quantique, on a construit au cours des 5 dernières années des machines à ions individuels et des réfrigérateurs formés de 3 atomes.

Pour l’instant, avec un pied dans l’âge de la vapeur et un œil sur l’avenir, Nicole Yunger Halpern avance à fond de train.