limite de Landauer

Un film de tantale de deux cents nanomètres d'épaisseur repose sur un substrat de quartz. À l'intérieur se cache une future lumière : si l'on chauffe le métal correctement, il se transforme en oxyde transparent à travers lequel pourra passer la lumière d'une diode électroluminescente implantée.

Un ordinateur classique calcule en faisant circuler des charges électriques dans des fils. Mais peut-on calculer avec la chaleur ? Un réseau de tubes parcourus par de l'eau chaude et froide peut effectuer des opérations logiques simples si l'on connecte les tubes dans le bon ordre.

Alice prépare une particule quantique dans l'un de plusieurs états et l'envoie à Bob. Le canal par lequel voyage la particule n'est pas idéal : il est bruyant, il disperse, il interagit avec l'environnement. Bob reçoit le signal et essaie de comprendre ce qu'Alice a exactement envoyé.

Dans le monde quantique, un fait devient objectif lorsque sa valeur s'imprime dans de nombreux fragments indépendants de l'environnement — comme une annonce placardée sur des centaines de panneaux à travers la ville. Chaque copie, prise séparément, n'apporte aucune information nouvelle, mais elle change les règles du jeu pour celui qui tente d'effacer ces informations.

Un trou noir a trois lois, comme un gaz parfait. La première : l'énergie ne disparaît pas. La deuxième : l'aire de l'horizon des événements ne décroît pas. Et la troisième, la plus capricieuse, exige qu'à température nulle, l'entropie (mesure du désordre) tende vers zéro ou une constante universelle.

Un thermomètre capricieux affiche des températures différentes selon celui qui le regarde. C'est à peu près ce que fait un trou noir : ses propriétés thermiques — entropie et température — dépendent de la façon dont nous décrivons l'information qu'il recèle.

Dans une casserole de soupe, deux thermomètres suffisent pour connaître la température partout — à condition de savoir que la chaleur se propage en cercles depuis le fond. De même en science : à partir de mesures éparses, il faut reconstruire l'image complète du champ thermique.

Effacer ne serait-ce qu'un bit, c'est libérer de la chaleur. Cette découverte de Rolf Landauer a suggéré que l'information n'est pas matérielle, mais pas non plus illusoire. Imaginez que chaque événement projette une ombre — c'est cela, l'information : l'ensemble de toutes les possibilités non advenues.

Une chambre de la taille d'un petit camion est remplie d'argon liquide à moins 186 degrés. Lorsqu'une particule y pénètre, elle arrache des électrons aux atomes d'argon, et ceux-ci dérivent vers les parois, dessinant une image tridimensionnelle de l'événement.

L'espace-temps n'est pas une feuille plane, mais un tissu froissé : les étoiles et les planètes y laissent des plis. Dans chaque pli est inscrite de l'information, et pour l'effacer, il faudrait dégager de la chaleur — c'est ainsi que fonctionne le principe de Landauer.

En 1867, James Clerk Maxwell a proposé une image qui intrigue encore les physiciens. Deux compartiments remplis de gaz sont séparés par une porte. Les molécules s'agitent de façon chaotique : rapides et lentes. Un minuscule portier n'ouvre la porte que devant les molécules rapides, les laissant passer d'un côté, et les lentes de l'autre.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers était une soupe bouillonnante de particules élémentaires. Même les neutrinos légers entraient alors en collision avec tout ce qui se présentait.

Un thermostat maintient une pièce à 20 degrés. Ouvrez la fenêtre en hiver – il enclenche le chauffage pour rétablir l'équilibre. Le cerveau fait quelque chose de similaire : il prédit constamment ce qui va se passer l'instant d'après et se corrige s'il se trompe. C'est ainsi qu'il apprend.

En général, on sépare les isotopes en exploitant la différence de poids du noyau. Cette différence est infime — comme si l'on triait des grains de sable qui diffèrent d'un centième de millimètre. La nouvelle méthode ne s'intéresse pas au poids mais à la rotation du noyau — son spin.

Une goutte d'eau dans un champ électrique intense s'allonge. Le noyau de deutérium — une paire liée de proton et de neutron — se comporte de la même manière, sauf que le champ est ici créé par un photon gamma qui passe, et au lieu de s'étirer, le noyau peut tout simplement se briser.

Si vous écrivez la recette d'une protéine sur une feuille et que vous la donnez à imprimer, une faute de frappe sur une seule lettre peut gâcher tout le tirage. La cellule est confrontée au même problème lorsqu'elle copie son ADN — une longue instruction composée de quatre « lettres » chimiques.

Un flux d'électrons peut être comparé à un faisceau de pointeur laser : s'il diverge, la tache sur le mur s'étale rapidement. En laboratoire, des physiciens ont créé un faisceau si étroit qu'il restait fin sur une grande distance, comme le faisceau d'un bon pointeur.

Effacer un bit d'information n'est pas gratuit. En 1961, Rolf Landauer a montré qu'à température ambiante, cela nécessite au minimum environ 3 zeptojoules d'énergie — une quantité minuscule, mais non nulle. Cette limite était considérée comme aussi infranchissable que la conservation de l'énergie. Mais que se passerait-il si l'on « trompait » légèrement le système ?

Un ordinateur quantique, c'est un peu comme un orchestre où chaque musicien joue sa partition, mais où tout le monde se trompe à la moindre occasion. Les erreurs dans les qubits sont monnaie courante : tantôt l'instrument se désaccorde, tantôt le musicien rate une note. D'habitude, le chef d'orchestre doit deviner qui a fait l'erreur, et c'est très difficile.

La matière noire est la colle invisible qui empêche les galaxies de se désagréger. Dès les années 1930, Fritz Zwicky l'a soupçonnée, et Vera Rubin a prouvé dans les années 1970 que sans elle, les étoiles s'éparpilleraient.

Les particules minuscules mènent une double vie, comme une pièce qui tourne et qui est à la fois pile et face. Le contact avec le monde extérieur les force à choisir – un processus appelé décohérence. Imaginez un écho dans une pièce. L'ancienne règle supposait que la pièce était nue, donc l'écho mourait instantanément.