principe de Landauer

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 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.

Un chasseur tend des collets dans la forêt. Il connaît les habitudes de l'animal, mais ne sait pas s'il se fera prendre. C'est à peu près ainsi que les physiciens installent des détecteurs pour tenter de capturer les particules de matière noire — cette substance invisible qui, pense-t-on, constitue une grande partie de la masse de l'Univers.

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.

Chaque système quantique — que ce soit un atome, un cristal ou l'Univers entier — possède son propre ensemble d'énergies autorisées, comme les marches d'un escalier. Plus le système est chaud, plus les particules grimpent volontiers les marches.

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.

Un enregistrement sur dictaphone d'une place de ville. On entend le bourdonnement de la foule, des pas, des bribes de conversations, le bruit des voitures. Quelque part dans ce mélange de sons, un musicien de rue joue une mélodie simple à la flûte. L'entendre n'est pas facile — il y a trop de choses mélangées.

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.

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.

Lorsqu'une tache brillante apparaît sur une étoile, les astronomes veulent savoir combien d'énergie a été libérée dans l'espace. Autrefois, ils imaginaient l'éruption comme un feu qui grandit : la surface des flammes augmente, mais la chaleur reste la même. C'était plus simple pour les calculs, mais la réalité s'est avérée différente.

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 ?