Santé, tech, espace : le quantique bénéficie déjà à de nombreux secteurs

Cet article a été publié en exclu­si­vi­té dans notre maga­zine Le 3,14 sur le quan­tique.
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La phy­sique quan­tique est main­te­nant lar­ge­ment entrée dans notre vie quo­ti­dienne. La « pre­mière révo­lu­tion quan­tique » a débou­ché sur quan­ti­té de dis­po­si­tifs et de tech­niques que l’on uti­lise presque tous les jours. Lasers, élec­tro­nique, éclai­rage à LED, pan­neaux pho­to­vol­taïques, méde­cine nucléaire, aucune de ces tech­no­lo­gies du quo­ti­dien ne pour­rait être uti­li­sée sans une connais­sance fine des pro­ces­sus qui se déroulent à l’échelle de l’atome, grâce à la com­pré­hen­sion du com­por­te­ment des par­ti­cules élé­men­taires et des inter­ac­tions entre la matière et la lumière.

Mais la méca­nique quan­tique n’a pas fini de chan­ger notre monde. Les toutes der­nières décou­vertes issues des labo­ra­toires de recherche pré­fi­gurent une deuxième révo­lu­tion quan­tique, dans laquelle la maî­trise des pro­ces­sus à l’œuvre dans l’infiniment petit risque à nou­veau de chan­ger pro­fon­dé­ment notre manière de vivre, de com­mu­ni­quer et de com­prendre le monde. Par­tons pour un petit tour des pro­chaines appli­ca­tions de la phy­sique quan­tique dans le monde industriel.

Le contrôle tou­jours plus fin de flux d’électrons dans des dis­po­si­tifs de plus en plus petits a per­mis à l’électronique d’atteindre des niveaux de minia­tu­ri­sa­tion inéga­lés. En 2021, IBM annon­çait la mise au point d’une puce faite de tran­sis­tors de 2 nano­mètres, dont la den­si­té attei­gnait 333 mil­lions de tran­sis­tors par mm².

Mais outre sa charge élec­trique, l’électron pos­sède une autre pro­prié­té appe­lée le « spin ». Cette gran­deur quan­tique n’a pas d’équivalent clas­sique, mais peut être com­pa­rée à un « moment magné­tique », comme si l’électron était un minus­cule aimant en rota­tion sur lui-même. Le prin­cipe de la spin­tro­nique est donc de mani­pu­ler le spin des élec­trons plu­tôt que leur charge élec­trique afin de créer de nou­velles appli­ca­tions, mais aus­si de bais­ser énor­mé­ment la consom­ma­tion élec­trique des composants.

Actuel­le­ment, la spin­tro­nique est déjà uti­li­sée dans plu­sieurs com­po­sants élec­tro­niques comme les mémoires d’ordinateurs (qui a valu à ses décou­vreurs le prix Nobel de Phy­sique en 2007) ou cer­tains cap­teurs magné­tiques pour l’automobile ou la robotique.

La spin­tro­nique est déjà uti­li­sée dans plu­sieurs com­po­sants élec­tro­niques comme les mémoires d’ordinateurs.

Mais, comme pré­ci­sé plus haut, la minia­tu­ri­sa­tion des dis­po­si­tifs élec­tro­niques est si évo­luée que leurs élé­ments de base feront bien­tôt la taille de quelques atomes seule­ment. Une taille qui ren­dra leur com­por­te­ment presque exclu­si­ve­ment quan­tique. Pour lire et écrire sur des mémoires aus­si petites, une équipe de l’Ins­ti­tut Rayon­ne­ment-Matière de Saclay (IRa­MiS) a étu­dié le com­por­te­ment d’une molé­cule (appe­lée FeTTP) qui joue nor­ma­le­ment un rôle dans le trans­port de l’oxygène par l’hémoglobine¹.

Cette molé­cule dépo­sée sur du gra­phène (une couche d’atome de car­bone d’un atome d’épaisseur) peut chan­ger de spin faci­le­ment et à volon­té. Cela consti­tue un nou­veau méca­nisme de lecture/écriture d’un spin molé­cu­laire unique, encore plus petit et éco­nome en éner­gie que les dis­po­si­tifs exis­tants aujourd’hui.

Le Centre de Nanos­ciences et de Nano­tech­no­lo­gies de l’Université Paris-Saclay essaye, quant à lui, de don­ner plus de flexi­bi­li­té aux sys­tèmes d’intelligence arti­fi­cielle². Dans les sys­tèmes infor­ma­tiques clas­siques, l’information de base est codée sous la forme de 0 ou de 1. De nou­veaux sys­tèmes spin­tro­niques per­mettent d’introduire des nuances dans le code binaire comme des états 0+ ou 1‑, et d’intégrer cette logique « floue » dans des réseaux de neu­rones arti­fi­ciels, dont le fonc­tion­ne­ment se rap­pro­che­rait plus de celui des neu­rones bio­lo­giques orga­niques de notre cerveau.

Un grand nombre de cap­teurs sont construits autour de dif­fé­rents phé­no­mènes quan­tiques qui leur donnent la capa­ci­té de mesu­rer des signaux infimes avec une excel­lente réso­lu­tion, ouvrant la voie à de nou­veaux champs d’application.

Dans un micro­scope, la limite de réso­lu­tion est don­née par les pro­prié­tés de la lumière uti­li­sée. Glo­ba­le­ment, il n’est pas pos­sible de « voir » un objet plus petit qu’une lon­gueur d’onde de cette lumière. Dans le domaine visible, cette lon­gueur d’onde avoi­sine les 500 nanomètres.

Il existe en phy­sique quan­tique un prin­cipe appe­lé « dua­li­té onde-par­ti­cule » selon lequel des objets quan­tiques (par­ti­cules, atomes…) ont un com­por­te­ment à la fois cor­pus­cu­laire et ondu­la­toire. On peut donc leur asso­cier une lon­gueur d’onde, comme la lumière, et ima­gi­ner un « micro­scope à ondes de matière ». Son avan­tage : la lon­gueur d’onde asso­ciée à des atomes est 1 mil­lion de fois plus courte que celle de la lumière. On dis­pose donc d’une capa­ci­té de mesure 1 mil­lion de fois meilleure que ce que la phy­sique per­met avec la lumière.

Avec le quan­tique, on a une capa­ci­té de mesure 1 mil­lion de fois meilleure que ce que la phy­sique per­met avec la lumière.

De tels dis­po­si­tifs existent. On les appelle par exemple « cap­teurs iner­tiels par inter­fé­ro­mé­trie ato­mique ». Les champs d’application sont très larges, allant des géos­ciences (détec­tion de nappes de pétrole par mesure de varia­tion du champ de gra­vi­té local) aux sciences du vivant (mesure du champ élec­trique ou magné­tique émis par une seule cel­lule) en pas­sant par la navi­ga­tion iner­tielle (sur Terre ou dans l’espace). En 2022, un article de Nature pro­po­sait un tel cap­teur de gra­vi­té uti­li­sant le com­por­te­ment quan­tique d’atomes en chute libre pour mesu­rer plus pré­ci­sé­ment que jamais les micro­sco­piques varia­tions de gra­vi­té ter­restre afin de son­der les struc­tures du sous-sol terrestre.

L’industrie phar­ma­ceu­tique a, elle aus­si, pas­sé le cap quan­tique depuis longtemps.

Un médi­ca­ment, c’est une molé­cule qui va se lier à d’autres struc­tures du vivant pour appor­ter un béné­fice à la san­té du patient. La manière dont ces molé­cules inter­agissent entre elles est étu­diée par un domaine scien­ti­fique spé­ci­fique appe­lé « chi­mie quantique ».

Avant qu’une molé­cule thé­ra­peu­tique ne soit auto­ri­sée sur le mar­ché, elle doit subir une bat­te­rie de tests et d’essais cli­niques qui prennent sou­vent dif­fi­ci­le­ment moins qu’une décen­nie. Pour cibler très vite les molé­cules d’intérêt, il existe une étape appe­lée « cri­blage vir­tuel haut débit », où des algo­rithmes extrê­me­ment com­plexes testent en paral­lèle la capa­ci­té de mil­liers de molé­cules à démon­trer l’effet bio­chi­mique sou­hai­té sur la cible.

Cette com­pré­hen­sion de la manière dont une molé­cule indi­vi­duelle se lie chi­mi­que­ment à d’autres struc­tures nano­mé­triques passe par la mise au point d’outils de simu­la­tion numé­rique inté­grant tous les prin­cipes de la méca­nique quan­tique et de la chi­mie, tout en ayant pour objec­tif de déli­vrer leur résul­tat le plus rapi­de­ment pos­sible, mal­gré la colos­sale com­plexi­té des cal­culs mis en jeu.

En France, une star­tup appe­lée Qbit phar­ma­ceu­ti­cals déve­loppe de nou­velles méthodes de cal­cul com­bi­nant réseaux de neu­rones, super­cal­cu­la­teurs et ordi­na­teurs quan­tiques afin de cibler tou­jours plus vite et effi­ca­ce­ment les médi­ca­ments de demain⁴.