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Ancien lauréat
Bourse commémorative E.W.R. Steacie de 2007

Aephraim Steinberg

Physique

University of Toronto


Aephraim Steinberg
Aephraim Steinberg

Les scientifiques étudient les complexités de la mécanique quantique depuis un siècle, sans apparemment en avoir atteint les limites. Cependant, cela ne fait pas longtemps que la technologie est suffisamment perfectionnée pour que l’on puisse tenter d’observer et de manipuler directement les particules subatomiques et de mesurer les phénomènes quantiques. Aephraim Steinberg, physicien à l’University of Toronto, est à la fine pointe de ces efforts.

« Nous n’avons pas encore atteint les limites, mais nous pouvons les voir se profiler à l’horizon », déclare-t-il, citant une phrase imagée utilisée par les chercheurs qui étudient les phénomènes parfois bizarres et apparemment paradoxaux du monde quantique.

Les travaux de M. Steinberg comprennent plusieurs percées majeures qui lui ont valu de nombreux éloges de ses collègues, ainsi qu’une Bourse commémorative E.W.R. Steacie du CRSNG de 2007. Peu importe ce qu’il étudie, que ce soit le phénomène de l’« intrication », l’effet « tunnel » ou encore le comportement de la matière ultra-froide, son objectif ultime est de comprendre comment on peut utiliser à profit les particules qui ne se comportent pas selon les règles, du moins pas selon les règles que les physiciens pensent bien comprendre.

L’intrication est un bon exemple. Il s’agit du processus par lequel deux particules deviennent intimement connectées, de sorte qu’il est impossible de décrire ce qui arrive à l’une sans tenir compte de ce que l’autre fait. Pour Albert Einstein, ce phénomène était l’un des aspects les plus troublants de la mécanique quantique, ce qu’il appelait l’« action fantôme à distance ».

« C’est l’un des éléments de la mécanique quantique qui est actuellement perçu comme le plus bizarre, le plus mystérieux, élément qui est tellement différent de la mécanique classique qu’il offre les plus grandes possibilités de nouvelles applications », explique Aephraim Steinberg.

L’apport de M. Steinberg à l’étude de l’intrication a consisté à élaborer une technique évolutive permettant d’intriquer trois photons ou plus, ce qui pourrait permettre un jour de produire des puces informatiques plus petites et plus rapides, et d’accroître la précision des mesures.

Et qu’en est-il de la quête de l’ordinateur quantique, qui, selon les prévisions, serait beaucoup plus puissant que toute machine existante? Même si M. Steinberg et son équipe ne s’attaquent pas directement à toutes les difficultés techniques liées à la construction d’un ordinateur quantique, il a néanmoins contribué à faire progresser l’un des systèmes les plus prometteurs pour un ordinateur quantique – un réseau optique qui utilise la lumière pour piéger les atomes.

Pour Aephraim Steinberg, l’intrication offre des avantages manifestes : « Un gros système quantique contient une quantité d’information exponentiellement plus grande que le même système sans intrication. »

Toutefois, lorsque l’ordinateur quantique sera finalement construit, le défi sera de trouver un moyen de contrôler l’information. Comme l’observe M. Steinberg, « il faudra trouver des moyens pour entrer et sortir l’information, pour la manipuler, et même pour savoir comment nous avons fait tout ça! Il existe une probabilité non négligeable que nous ne produisions jamais un ordinateur quantique à pleine échelle, mais je dirais que nos chances d’y parvenir sont meilleures. »

Un autre domaine de recherche de M. Steinberg consiste à refroidir un groupe d’atomes à une température à peine plus élevée que le zéro absolu, mécanisme fascinant en soi, qui fait appel à la force exercée par un laser finement accordé pour ralentir le mouvement des atomes individuels, jusqu’à ce qu’ils soient pratiquement immobiles. Dans une forme de matière ultra-froide appelée condensat de Bose-Einstein, les atomes sont si étroitement rapprochés qu’ils commencent à se comporter de façon collective, plutôt que comme des particules individuelles et distinctes.

Le travail avec la matière ultra-froide pourrait entre autres aider à clarifier le phénomène quantique de l’effet « tunnel », observé lorsqu’une particule traverse un milieu qui est interdit par la physique classique (par exemple, un photon qui traverse un miroir, au lieu d’être réfléchi). Non seulement les particules le font, mais quand elles le font, elles se déplacent plus rapidement que la vitesse de la lumière, comme l’a démontré M. Steinberg. Ce résultat semble contradictoire, mais comme tout phénomène en mécanique quantique comporte une certaine incertitude, l’effet tunnel ne viole aucun principe physique, ajoute le chercheur.

Il s’emploie donc à savoir où la particule passe son temps quand elle traverse une barrière interdite, et si cela pourrait avoir des applications utiles. « Il s’avère que même tenter de comprendre l’histoire d’une particule est une question très délicate en mécanique quantique, parce que les particules ne suivent pas des trajectoires définies, comme elles le font en physique classique. »

Ceci nous amène à un problème important de la recherche en physique quantique : si un arbre tombe dans une forêt quantique, est-il important qu’il y ait quelqu’un pour entendre le fracas ou non? La réponse est oui, car le simple fait de mesurer et d’observer les particules change la façon dont elles se comportent au niveau subatomique. Mais la situation n’est peut-être pas aussi intenable qu’elle le paraît, souligne M. Steinberg. « Certaines des propositions mises de l’avant en informatique quantique visent à démontrer que si l’on accepte la notion que chaque mesure perturbe de façon intrinsèque un système, et qu’on y voit plutôt un avantage, ce concept n’est alors plus une faille de la mécanique quantique. On peut plutôt l’utiliser pour manipuler un système de façons qui auraient été jugées impossibles avant que l’on fasse ce constat. »

Ce domaine de recherche est en évolution rapide et la concurrence y est vive, mais cela n’empêchera pas Aephraim Steinberg de prendre son temps et d’étudier les choses en profondeur. « Très souvent, ce genre de recherche dégénère en une course où chacun tente de compter combien de trucs on peut mettre ensemble. Nous ne voulons pas passer à côté de questions importantes : Quelles sortes d’états pouvons-nous créer? Quelles seraient les applications de chaque état? Quels sont les meilleurs moyens de caractériser ces états? Nous tentons d’aborder parallèlement tous ces aspects. »