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La physique quantique

Première apparition des héros de Star Trek dans les médias le 4 mars 1967.

La téléportation (I)

Année 2245, la téléportation embarquée est installée à bord du vaisseau mère de la Fédération, l'USS Enterprise FCC-1701... Cette histoire remonte à 1966. A cette époque la chaîne de télévision américaine NBC diffuse pour la première fois les aventures de science-fiction "Star Trek" de Gene Roddenberry et Paramount Pictures, mettant en vedette le capitaine Kirk et son équipage en quête de nouveaux mondes étranges. Music Maestro !....

Quelques mois plus tard, le 4 mars 1967, William Shatner (le Capitaine Kirk) et Léonard Nimoy (Mr. Spock) feront la couverture du magazine TV Guide. Leur célébrité ne faisait que commencer.

La série eut un succès mitigé et ne dura que trois saisons, jusqu'en 1969. Mais au fil des rediffusions la série connaîtra une popularité sans précédent, dépassant de loin "Les Envahisseurs", "La quatrième dimension" ou "Cosmos 1999". Rapidement, l'oeuvre devint une série culte, tant aux Etats-Unis qu'en Angleterre, en Australie, au Japon, en France ou en Italie pour ne citer que quelques pays ayant un fan club disposant d'un site sur Internet.

Devant ce succès, les réalisateurs développeront la série pour le petit écran et la porteront pour la première fois sur le grand écran en 1979 avec le succès que l'on sait. Rétrospectivement l'entreprise "Star Trek" représente aujourd'hui 4 séries TV et 10 films dont dernièrement "Enterprise", et dont voici pour les fans les bandes sons de "Voyager", "Origine", "The Next Generation" et "Deep Space 9". Il y eut également quelques adaptations non tirées des séries TV telle que "New Frontiers", des dessins animés et toute une série de produits de marchandising.

A lire : Léonard Nimoy est décédé (1931-2015), sur le blog

Beam me up Scotty !

Mais la physique de Star Trek a-t-elle un sens ?Pourrons-nous par exemple un jour nous téléporter d'un coin à l'autre de l'espace d'un simple ordre tel que "Beam me up Scotty !"... Mmm, on peut en douter... Disons plutôt est-il déjà possible de transmettre l'état quantique d’une particule à une autre ?

Le 11 décembre 1997, le magazine scientifique Nature rapportait que des physiciens Italiens étaient parvenus à transmettre l’état quantique d’une particule à une autre, située à quelque distance. Deux mois plus tard une équipe de chercheurs Autrichiens réussissaient une expérience analogue. L’équipe du Dr.Anton Zeilinger de l’Université d’Innsbruck était en effet parvenue à transmettre l’état de polarisation d’un photon à un autre, une caractéristique - et non pas une information - intrinsèque du monde quantique obéissant aux sacro-saintes relations d’incertitudes.

Le 17 juin 2002, des physiciens de l'Université Nationale Australienne (ANU) annoncèrent qu'ils avaient réussi à séparer un faisceau laser contenant une information encodée dans un système de communication à fibre optique et à le reconstruire instantanément à un mètre de distance en utilisant la technologie de l'intrication quantique ou enchevêtrement quantique, rappelez-vous le paradoxe EPR.

Avec cette seconde expérience, la physique de Star Trek semble être à notre portée. Quelles sont concrètement les conséquences de telles découvertes ?

On peut rêver

Quelques journalistes envisageaient déjà d’appliquer ces découvertes à la téléportation chère aux héros de "Star Trek". Seul problème, la physique de Star Trek ne sera jamais à notre portée. Il faut en effet trouver le moyen de stocker puis de téléporter en quelques secondes toutes les caractéristiques quantiques de tous les constituants des atomes qui forment un corps humain (1028 atomes !), sachant qu’un seul atome se définit par de nombreux paramètres (position, énergie, etc, de tous ses composants) qui occupent au bas mot 1000 mots-machine (1 kilobyte). Toutes les données physiques d'un corps humain représentent donc 1028 KB d'information. 

Si toutes ces informations nécessaires à la définition purement physique d'un corps humain étaient stockées sur des disques durs compacts d'une capacité de 100 GB, leur empilement atteindrait une longueur de 1013 km ou dix mille années-lumière ! Même avec des disques portables on ne réduit l'empilement que d'un facteur 10 ! Compte tenu de l’espace disponible pour stocker ces informations, de l’énergie requise pour l’écrire et la relire et surtout du temps estimé pour effectuer ce transfert, si nous nous mettions tout de suite à la tâche cette perspective n’est même pas envisageable; téléportée en cet instant, la pauvre victime devrait attendre 25 mille milliards d’années avant d’être totalement définie en termes quantiques (stockés sur un support) et patienter encore autant de temps pour être physiquement téléportée d’un endroit à un autre !  

L'expérience de téléportation d'une information encodée dans un faisceau laser réalisée à l'ANU en 2002. A ce jour on ne peut envisager la téléportation qu'en terme de transfert d'information à distance, mais certainement pas de matière.

Cette solution présente toutefois d'autres difficultés sur le plan pratique. La première est la plus contraignante. Pour téléporter un atome vous devez mesurer sa position et son impulsion (mv) simultanément afin de les transférer ou les recopier à destination. Or les relations d'incertitudes de Heisenberg tant décriées par les pères de la physique quantique nous interdisent de connaître avec la même précision les deux valeurs simultanément. Ensuite, dans un système corrélé, on ne peut pas choisir les états quantiques à téléporter. Le clonage quantique est donc impossible. Nous verrons qu'il en est de même pour la reconstruction.

Mais ce n'est pas tout. Si on envisage la téléportation des atomes et des quarks individuels, il faut trouver un moyen pour briser les quarks. Il faut d'une part des énergies folles pour les briser et développer des températures de l'ordre de 1000 milliards de degrés. Aujourd'hui aucun accélérateur de particules ou autre ITER ne peut atteindre de telles températures. Et on ne les atteindra certainement pas demain ni après-demain eu égard aux difficultés techniques qu'engendre une telle entreprise.

Dans ces circonstances, il existe une autre solution : construire à destination l'objet à partir d'un modèle tridimensionnel et d'un stock de quarks et d'atomes.

Mais ne me demandez pas comment résoudre les problèmes de logistique, de confinement et financier car aujourd'hui nous avons déjà pas mal de difficultés pour confiner quelques malheureux protons et trouver les financements de ces projets. Sans parler du problème de la mesure et d'imbrication quantique... au demeurant insolubles.

Cette solution est donc tout autant vouée à l'échec que la précédente en raison des principes mêmes de la physique quantique et des règles mathématiques (statistiques) qui président à l'état des particules (leurs paramètres).

Une dernière méthode consisterait à transformer la matière en énergie (E=mc2) puis à la transmettre sur de longues distances, à l'image de la technique utilisée par la "Porte des étoiles" dans la série culte "Stargate SG-1". Mais l'énergie requise est astronomique : 50 kg représentent l'énergie libérée par 1000 bombes H d'une mégatonne. Se greffe sur ce problème le fait que personne ne sait aujourd'hui comment créer un trou de ver, et on ignore encore plus comment lui donner une taille macroscopique, l'entretenir et le stabiliser à cette échelle...

Comme vous le constatez, il reste un certain flou entre l'idée et la conception, mais cette fois le "flou quantique" n'est pas mis à profit et nous pose plus de problèmes qu'il n'en résout !

Les voies réalistes

Plus rationnels, les physiciens pensent utiliser cette technique pour transmettre l’information dans les futurs ordinateurs quantiques. L'idée de base est que les bits d'information ne seraient plus classiques, présentant deux états, 1 ou 0, mais quantiques et pouvant prendre une infinité d'états quantiques par intrication de ces états. Puisque la taille de l'espace des configurations potentielles est très vaste, le système pourrait effectuer des calculs en parallèle, en superpositions d'états, et donc bien plus rapidement qu'un algorithme traditionnel, en particulier pour tout ce qui concerne la factorisation des grands nombres et l'analyse de données.

Malheureusement, l'idée avancée par Peter Shor et Low Grover est peut-être avortée dans l'oeuf car la décohérence est difficile à contrôler bien que des méthodes de correction aient été développées. Mais pire encore, en revenant à l'ordinateur analogique, nous savons combien ce genre de méthode est sensible à la moindre perturbation, d'où les progrès réalisés dans la digitalisation de tous les systèmes de mesure. On peut donc se demander si l'ordinateur quantique est très réaliste... Mais laissons le temps à nos ingénieurs de se pencher sur la question avant de décréter précocement sa mort.

Une autre voie de recherche concerne la sécurité informatique où les propriétés quantiques seraient mises à profit pour envoyer à un correspondant les clés de cryptage des messages secrets. Ici, plutôt que de compter sur des précautions physiques de la vie courante (détenir une clé de codage, encoder un mot de passe, coffre-fort, etc) dont l'efficacité est contextuelle et donc difficile à évaluer a priori, la sécurité fonde sa confiance sur les lois fondamentales de la physique, inviolables par nature.

Par exemple, il est impossible de capturer un photon, d'en faire des copies puis de le replacer dans la fibre optique comme si de rien n'était. Son état quantique a été modifié et l'opération est contradictoire avec les lois de la physique (dans le cadre du paradoxe EPR, un tel clônage violerait la théorie de la Relativité car il permettrait par exemple de communiquer des signaux à une vitesse supérieure à celle de la lumière). L’avenir de l’informatique reste passionnant et il ne fait aucun doute que la NSA étudie actuellement ces questions.

Vous allez me dire qu'on est bien avancé avec ça ! Il est vrai que nous sommes encore loin du téléporteur, mais au moins nous sommes déjà capables de téléporter un bit d'information ! Mais il est encore plus vrai que la science-fiction n'a pas volé son nom...

La somme des parties

Un mot comme "téléporter" représente-t-il la simple juxtaposition de caractères ou ce terme contient-il en plus un sens ? Il ne faut pas chercher loin pour trouver des exemples dans lesquels la somme des parties représente plus que l'entité purement physique qu'ils représentent. A une autre échelle, certains organes du corps humain présentent des fonctions qui dépassent a posteriori les possibilités de leur agencement en termes purement mécanique, voyez par exemples les facultés du cerveau ou les propriétés des protéines...

Capitaine James T. Kirk alias William Shatner

En poussant notre raisonnement jusqu'au bout, on peut se demander ce qu'il adviendrait de notre état psychique après avoir ainsi été dématérialisé et reconstruit lors d'une téléportation ?

Cette question fascinante turlupine les Dr Frankenstein et autres Merlin depuis longtemps. Car un corps humain ou tout autre objet vivant représente plus que la somme de ses parties.

Prenez pas exemple les atomes constituants le corps humain. Ainsi que nous l'avons expliqué dans une autre page, c'est l'énergie de liaison (champs électriques) qui rattache les atomes entre eux et rend la matière solide à nos yeux. Nos atomes et nos molécules ont des affinités chimiques, des courants d'excitation traversent nos cellules, autant de propriétés "immatérielles" qu'un téléporteur devrait sans doute prendre en considération si nous voulons être rematérialisé à l'identique en quelqu'autre lieu, et bien sûr le plus rapidement possible, ce que nous verrons dans un instant.

D'après ce qu'on a pu voir de l'installation de Star Trek, leur téléporteur n'est pas très fiable. Parfois il perd carrément le corps téléporté, parfois il le dédouble ce qui est par contre paradoxal. Je ne mettrais pas même mon petit doigt dans leur téléporteur ! Celui présenté dans "La Mouche" ne fonctionne pas mieux. Car si un téléporteur est sensé transporter simultanément la matière et les données, de tels dédoublements ou fusions sont impossible.

M.Spock, Leonard Nimoy

Mais peut-on téléporter l'esprit ou l'âme comme l'appelle certains, notre mémoire ainsi que toutes les connaissances que nous avons acquises depuis que nous existons ?

Tout au long de la série Star Trek le thème de la "force vitale", ce qu'ils appellent l'"énergie neuronale" ou le "katra" chez M.Spock est sous-jacent et parfois mis en avant dans plusieurs épisodes où le téléporteur présente des défaillances. Lors de ces accidents, l'esprit erre séparément de son corps charnel et tant Scotty que Data éprouvent beaucoup de difficultés pour faire "rentrer les choses" dans l'ordre... Citons parmi quelques épisodes, les accidents survenus dans "L'ennemi intérieur" dans la série originale, "Une seconde chance" et "Seul parmi nous" dans The Next Generation ou encore "Cathexis" dans la série Voyager. Mais malgré ces quelques accidents, comme l'on dit dans le jargon astronautique le taux de réussite est nominal et le capitaine Kirk, Picard ou Janeway en sont toujours ressortis intègres, tant physiquement que mentalement.

Tous ces épisodes de la vie quotidienne tentent toutefois à démontrer que beaucoup de gens ont encore du mal à déterminer si l'esprit fait entièrement partie du corps matériel ou s'il peut se libérer de sa structure. On aimerait le croire pour s'affranchir parfois des contraintes de ce bas-monde, mais cela est loin d'être démontré. Il est évident que seule une expérience pourrait nous apporter cette preuve, chose qui jusqu'à présent n'a jamais été permise si l'on écarte les phénomènes psychiques qui se déroulent durant les phases de sommeil paradoxal (rêves) ou lorsqu'une personne est proche de la mort (expériences "NDE").

N'en déplaise aux croyants que je ne cherche pas à offenser, on peut toutefois penser que l'esprit est intimement lié à l'état de la matière et jusqu'à preuve du contraire, l'organisme et tout ce qu'il représente sur le plan psychique disparaissent avec sa mort physique. Vous seriez bien en peine de me démontrer le contraire qui ne serait que pure spéculation, un sujet bien sûr que pas mal d'auteurs, y compris des physiciens et des biologistes, n'ont pas hésité à aborder pour notre plus grand plaisir. On en reparlera à propos de la bioastronomie.

Deuxième partie

Reconstruire

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