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Publiscopie
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Programming
the Universe
A quantum computer scientist takes
on the Cosmos
Par Seth Lloyd
Alfred
A. Knopf mars 2006
Présentation et commentaire par Jean-Paul
Baquiast. Texte relu et complété
par Christophe Jacquemin 16/04/06
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L'auto-construction
naturelle de notre univers selon Seth Lloyd(1)
 L'histoire
que le livre raconte est celle de notre univers. Elle commence
banalement, comme toutes celles ayant été écrites
par des cosmologistes ces dernières années.
Au départ de l'histoire, c'est-à-dire avant
ce que Seth Lloyd continue à nommer le Big Bang(2),
il n'y avait rien ou plutôt rien dont on puisse parler
avec certitude. L'hypothèse retenue par l'auteur, qui
ne se distingue pas en ceci de la grande majorité des
cosmologistes contemporains, est que notre univers est né
d'une fluctuation dans l'énergie du vide quantique
(ou énergie de point zéro)(3).
On pourrait dire de façon imagée que ce terme
d'énergie du vide désigne un univers sous-jacent
à tous les univers possibles, notamment à notre
univers. Il est dénué de temps, d'espace et
de masse. Son entropie est maximum (infinie ?) dans la mesure
où il est impossible de donner la moindre information
concernant ce qui s'y trouve. Mais cet univers sous-jacent
se manifeste en permanence au niveau de notre univers. D'abord
par l'existence des trous noirs, si on conserve l'hypothèse
de l'existence de ceux-ci. Mais aussi simplement parce que
toutes les particules matérielles qu'étudie
notre physique doivent être considérées
comme résultant de la décohérence [voir
encadré ci-dessous] de processus ondes-particules
quantiques appartenant au monde quantique.
Seth Lloyd pose aussi un autre postulat, que certains voudront
discuter : les «lois de la physique» (telles que
nous les décrivons aujourd'hui, c'est-à-dire
sous réserve d'une évolution ultérieure
de nos connaissances) s'appliquent au vide quantique comme
à notre univers. Les lois de la physique font donc
partie également de l'univers sous-jacent à
tous les univers possibles. Ces lois de la physique comportent
en particulier les lois de la physique quantique.
Selon certaines hypothèses de la physique qantique,
l'énergie du vide n'est pas statique. Elle est bouillonnante.
A grande échelle, elle manifeste des fluctuations imprévisibles.
En permanence, des particules ou bouffées d'énergie
sont créées et d'autres annihilées. Autrement
dit, des «bulles d'univers», dotées de
temps et d'espace locaux, sont aléatoirement créées
et annihilées. On peut faire l'hypothèse que
notre univers a été le produit d'une de ces
fluctuations. C'est le début de son histoire. Dès
le premier temps de celle-ci, le temps et l'espace que nous
connaissons sont apparus. Seth Lloyd ne s'appesantit pas sur
les épisodes supposés s'être produits
aux premiers instants de cette création, notamment
l'inflation. Il les considère comme acquis mais son
propos est ailleurs.
 L'essentiel
de sa thèse est que la première manifestation
d'énergie créée au début de
ce processus s'est comportée comme un bit d'information.
Autrement dit, non seulement il s'est agit d'une particule
énergétique capable d'interagir avec celles
qui allaient suivre pour former des entités physiques
matérielles, mais d'une particule dotée
des caractères d'une unité d'information
dans la théorie de l'information, c'est-à-dire
basiquement de représenter des 0 et des 1 ainsi
que toutes les valeurs intermédiaires entre 0 et
1. Ceci lui permet de fonder son hypothèse selon
laquelle notre univers est un ordinateur(4),
et qui plus est un ordinateur quantique (nous allons y
revenir). L'univers se construit en exploitant ses propres
capacités computationnelles.
Chaque
modification physique impliquant l'univers est aussi une
opération informatique
Pour
comprendre la façon dont est né et évolue
notre univers, l'auteur nous invite à porter un
double regard sur chacun des changements d'état
qui peut affecter la plus élémentaire des
parties composant cet univers. Ces changements d'état
doivent être vus à la fois comme des actions
physiques et comme des opérations informatiques.
Il n'y a là en fait que du très banal. Prenons
un exemple. Si un rayon ionisant (par exemple un rayon
cosmique) modifie l'état d'excitation (ou d'énergie
électrique) d'un atome dans une molécule
chimique ou biologique, ce rayon entraîne, fut-ce
d'une façon non perceptible par nous, une modification
de la façon dont l'atome contribue aux propriétés
de cette molécule et à son rôle fonctionnel.
Nous sommes donc là en présence d'un effet
physique. Mais il s'agit aussi d'un effet informatique
dans la mesure où l'atome est engagé de
fait, par interaction avec ses voisins, dans un ou plusieurs
des circuits logiques qui sont à la base du calcul
informatique booléen : ET, OU, NON, COPIE, etc.
En effet, modifier l'état de l'atome a pour effet
de  changer
sa valeur informatique, autrement dit de réaliser
une opération élémentaire de calcul.
Dans la numération binaire, on dira que la valeur
informatique de l'atome passera de 0 à 1 ou de
1 à 0 (avec possibilité d'adopter toutes
les valeurs intermédiaires entre 0 et 1 si on estime
devoir se situer au plan d'une opération analogique
et non digitale). Ce changement de valeur informatique
aura lui-même un résultat physique obligé.
Ainsi, au cas où l'atome était lié
à un voisin dans une porte logique ET, utilisée
pour obtenir un niveau de sortie 1 si tout les niveaux
d'entrée sont à 1, son changement d'état
transforme la sortie 1 en sortie 0, ce qui peut modifier
non seulement l'état physique immédiat de
la molécule mais la façon dont celle-ci,
considérée à son tour comme un élément
de calcul dans un réseau plus vaste, interagit
avec le reste de son environnement physique et biologique(5).
On obtiendrait exactement le même résultat
si le rayon ionisant tombait sur une des mémoires
de mon ordinateur. Non seulement l'état physique
de cette mémoire serait modifié (avec possibilité
de destruction incapacitante) mais le programme faisant
appel à cette mémoire, ainsi modifiée,
serait lui-même modifié : soit rendu plus
efficace (avec beaucoup de chance) soit plutôt affecté
d'un bug entraînant des effets parasites ou même
bloquants.
Entropies énergétiques
et informationnelles
Seth Lloyd nous invite alors à réfléchir
au concept d'entropie. Le changement d'état physique
et informationnel d'une unité quelconque de l'univers
entraîne des effets très importants au regard
de "l'entropie énergétique et informationnelle"
de ce dernier. De même qu'il rapproche l'état
physique d'un élément de l'univers avec son
état informationnel, l'auteur rapproche l'état
d'entropie énergétique de cet élément
avec son état d'entropie informationnelle. L'énergie
de l'univers, mesurée par son niveau d'entropie (p.
40 de l'édition anglaise) est "ce qui lui
permet de faire telle ou telle chose. L'information est ce
qui lui commande de faire telle ou telle chose".
Dans ce cas, l'entropie informationnelle est l'information
nécessaire pour analyser les mouvements au hasard des
atomes et des molécules de l'univers. Comme ces mouvements
sont trop petits pour être identifiés par nous,
l'information les concernant nous sera invisible. On parlera
alors d'entropie informationnelle pour ce qui nous concerne
ici et maintenant. Elle mesure notre ignorance relative à
l'état de détail de ce système (ignorance
qui n'était pas celle, on s'en souvient de l'imaginaire
démon de Maxwell, qui savait tout sur l'état
de toutes les molécules d'un gaz enfermé dans
une enceinte). La 2e loi de la thermodynamique (une autre
des lois de la physique que Seth Lloyd considère comme
universelle) précise que l'entropie énergétique
ne diminue jamais. Autrement dit, l'énergie inutilisable
s'accroît sans cesse aux dépens de l'énergie
utilisable. Il en est de même de l'information. L'essentiel
de l'information intéressant un système physique
(par exemple les positions relatives de chacun de ses atomes)
nous est inconnue. Nous n'avons que des informations statistiques
ou de probabilité à leur sujet. Nous pouvons
préciser ces informations - sous réserve des
limites imposées par la mécanique quantique
et tenant au principe d'incertitude). Mais ceci exige alors
une recherche d'information introduisant plus de désordre
informationnel dans le système global que nous n'obtenons
d'ordre permettant d'améliorer la précision
de notre description.
Entrée
en scène de l'ordinateur quantique
Les hypothèses assimilant l'univers à un immense
ordinateur se modifiant lui-même par des opérations
à la fois physiques et informatiques sont aujourd'hui
relativement nombreuses. Depuis longtemps, la comparaison
entre l'univers et un calculateur digital, analogue à
notre PC, avait été faite. Mais elle restait
théorique dans la mesure ou, pour simuler l'univers
ou un simple élément de celui-ci, il faudrait
des quantités d'unités de calcul et de mémoire
imposant le recours à un ordinateur aussi grand que
l'univers lui-même, sinon plus. Stephen Wolfram - et
Konrad Suze avant lui - avait pour sa part envisagé
de comparer l'univers à un vaste automate cellulaire
[voir
notre actualité du 19/12/02]. Mais la même
objection lui a été faite.
Seth
Lloyd, qui est un des théoriciens les plus reconnus
de l'ordinateur quantique, évite ces objections en
proposant dans son livre l'hypothèse selon laquelle
l'univers serait lui-même un ordinateur quantique, qu'il
qualifie d'ordinateur quantique universel. D'une part ceci
serait en accord avec les lois de la physique qui postulent
nous l'avons rappelé l'existence d'un univers quantique
sous-jacent à tous les univers possibles. D'autre part,
et surtout, la puissance de calcul de l'ordinateur quantique
permet d'envisager dans un avenir relativement proche la simulation
de tout ou partie de l'univers. Cette possibilité tient
à la possibilité qu'il offre de réaliser
des calculs superposés à partir des bits quantiques
ou q.bits propres qui le composent.
 Nous
ne commenterons pas ici les passages consacrés par
Seth Lloyd à l'ordinateur quantique et aux difficultés
de mise au point rencontrées aujourd'hui. Certains
chercheurs estiment avoir réalisé des ordinateurs
quantiques à 7 q.bits, et ne désespèrent
pas de faire mieux [voir
notre article du 29/1/04 "Pour un grand programme européen
: l'ordinateur quantique]. Même en superposant
les calculs, 7 q.bits ne permettent pas de simuler un système
physique avec la même puissance qu'un ordinateur digital
actuel, mais les spécialistes de l'ordinateur quantique
espèrent faire beaucoup mieux prochainement.
Cela dit, la question soulevée par Seth Lloyd n'est
pas en premier lieu celle de savoir à quelle époque
un ordinateur quantique fabriqué par l'homme pourra
simuler l'univers entier. Elle est d'affirmer que l'univers
entier se comporte comme un ordinateur quantique universel.
Il ne s'agit pas pour lui d'une image mais d'une réalité.
Autrement dit, l'univers n'a pu apparaître et se développer
qu'en se servant à lui-même d'ordinateur quantique.
De la même façon, notre organisme ne peut croître
et se protéger des agressions qu'en utilisant ses propres
capacités computationnelles. Evidemment, comme la théorie
de l'information prescrit que n'importe quel ordinateur peut
simuler n'importe quel autre, il est intéressant pour
nous que l'univers soit fondamentalement un ordinateur quantique.
Nous pourrons ainsi le simuler quand nous aurons réalisé
un de ces instruments. Mais le point essentiel est que, dans
le scénario proposé par Seth Lloyd, si l'univers
n'avait pas été un ordinateur quantique, il
n'aurait pas pu acquérir dans les 14 milliards d'années
de sa vie supposée, la complexité que nous lui
connaissons aujourd'hui. En effet, les toutes premières
informations reçues par l'univers à sa naissance,
si elles avaient été traitées de façon
linéaire par un ordinateur séquentiel, n'auraient
pas permis d'explorer en temps utiles les multiples branches
d'opportunité nécessaires à ce que soient
dégagées les solutions les plus viables à
la survie de l'univers sous la forme que nous lui connaissons
aujourd'hui, depuis la création des galaxies jusqu'à
celle de la vie et de l'intelligence sur notre Terre. L'univers
se serait développé de façon linéaire,
sans doute très monotone. Il aurait ressemblé
à un lac sans vent.
La décohérence
Au
contraire, la multiplication des calculs en superposition
a permis d'explorer toutes les possibilités d'évolution
en parallèle. Certes, toutes les hypothèses
n'ont pas été matérialisées. Seules
certaines ont été retenues. Mais par qui et
de quelle façon ? Selon l'auteur, elles l'ont été
par l'interaction entre les bits quantiques et les bits matériels
résultant des premières opérations logiques
de type ET, OU, NON, COPIE réalisées initialement.
Cette interaction «matérialisante» résulte
du phénomène désormais admis par les
physiciens quantiques, dit de la décohérence.
En termes plus classiques, on parle de la réduction
de la fonction d'onde d'un système quantique suite
à la mesure réalisée par un observateur
macroscopique.
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Petit
rappel sur la décohérence et la réduction
de la fonction d'onde
Christophe Jacquemin
C'est à
Erwin Shrödinger que l'on doit d'avoir popularisé
la décohérence et la notion de réduction
de la fonction d'onde. Son expérience imaginaire
formulée en 1935, dite "paradoxe du
chat de Schrödinger", est en effet désormais
assez connue du grand public.
 L'expérience
est la suivante : dans une boîte fermée
pourvue d'un hublot se trouve un chat, une fiole
de cyanure, un marteau retenu par un fil et un
détecteur quantique (un compteur Geiger).
On y dépose un élément radioactif
(atome d'uranium U) qui, dans un temps donné,
a 50% de chance de se désintégrer
en émettant un électron, électron
qui ira frapper le détecteur; lequel actionnera
alors le marteau qui brisera la fiole de poison
mortel
Fermons
la boîte, déclenchons l'expérience
et demandons-nous avant de regarder par le hublot
si le chat est vivant ou mort... C'est évident
direz-vous : il a 50% de chance que le chat soit vivant
et autant qu'il soit mort...
 Mais
selon la physique quantique le chat, avant observation,
est vivant ET mort à la fois ! Elle affirme
que l'atome U est un être quantique auquel est
applicable le principe de superposition : les particules
atomiques peuvent exister dans plusieurs états
superposés et simultanés. Ainsi, l'état
vivant ou mort du chat ne dépend que de l'état
(émission d'un électron ou non) de l'atome
d'uranium. Or on sait que l'électron, étant
donné sa nature ondulatoire, peut être
localisé tout autour du noyau d'un atome. Il
est présent simultanément à plusieurs
endroits, et cela AVANT qu'il ne se soit observé.
De même, un atome radioactif d'uranium peut
exister dans deux états superposés (intact
et désintégré). Cet état
de superposition cesse immédiatement dès
qu'il y a observation, et donc interaction, de la
particule. On dit alors qu'il y a décohérence
lorsqu'un système A et B devient un système
A ou B. Ainsi, regarder n'importe quelle particule
quantique l'empêche de rester dans son double
état (ET) ce qui l'oblige à en choisir
un des deux (OU)
Dans
l'expérience, l'état superposé
de l'atome U devrait donc se transmettre à
notre chat macroscopique et le transformer en mort-vivant,
le fait d'observer le chat à travers le hublot
entraînant la décohérence de son
état (mort/vivant) et le choix d'un seul état.
Cette explication, difficilement acceptable pour notre
monde macroscopique, montre alors les difficultés
d'interprétation que soulève le formalisme
mathématique quantique (où les états
superposés sont faciles à concevoir
lorsqu'ils sont définis par des fonctions d'onde
car celles-ci s'additionnent sans problème).
Mais
alors, le chat ? Est-il mort ou bien vivant ? En d'autres
termes, ceci s'applique-t'il vraiment aux êtres
macroscopiques. La réponse vient ici de chercheurs
français qui ont déterminé que
la période d'incertitude est inversement proportionnelle
à la complexité d'un objet. Ce qui pour
le chat, qui est un objet complexe, revient à
une période tellement courte qu'elle est négligeable.
Dit d'une autre façon, l'état superposé
"vivant ET mort" dans lequel se trouve le
chat ressemble à une bulle de savon : une bulle
est éphémère et détruite
à la moindre interaction. La décohérence
des objets macroscopiques est quasi-immédiate.
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Seth Lloyd nous invite à prendre comme exemple une
des toutes premières opérations réalisées
par l'univers dès sa naissance (soit approximativement
10-44 secondes en temps de Planck). Il s'agit de
la façon dont des instabilités dans la répartition
de l'énergie initiale sont apparues à la suite
des fluctuations quantiques des niveaux d'énergies.
Si l'on considère ces fluctuations comme des opérations
informatiques, explorer leurs conséquences aurait pris
beaucoup trop de temps à un ordinateur digital, au
rythme imposé par l'inflation. L'univers serait resté
homogène. Leur exploration en parallèle par
un ordinateur quantique a permis de faire apparaître
de nombreux types de répartition de la densité
énergétique. Un multivers aux innombrables branches
a été esquissé. Mais le propre de l'ordinateur
quantique est de décohérer des que l'on veut
connaître le résultat de ses calculs. En l'espèce,
comme il n'y avait pas à l'époque d'observateur
macroscopique capable d'interagir avec les calculs de l'ordinateur
quantique universel, c'est un simple hasard qui a entraîné
le choix d'un embranchement parmi les multiples histoires
virtuellement possibles. C'est ce hasard qui a produit les
inégalités dans la densité de matière
énergie du cosmos initial, détectées
par la sonde Wilkinson.
De
proche en proche, ces premiers choix ont entraîné
des décohérences en chaînes portant sur
les innombrables calculs quantiques que continuait à
faire l'ordinateur quantique universel. L'univers tel que
nous le connaissons en a résulté. Chaque fois
qu'un q.bit de l'ordinateur quantique universel proposait
un grand nombre, sinon une infinité de choix, l'interaction
avec la matière déjà créée
obligeait l'univers à choisir une solution et une seule.
Mais ceci ne veut pas dire que l' « histoire »
ainsi écrite était obligée de redevenir
linéaire. Les fluctuations propres à la physique
quantique introduisaient en permanence des éléments
générateurs de diversité, dont certaines
mutations génétiques donnent un exemple en biologie.
Ajoutons que, contrairement au physicien David Deutsch
[voir
notre présentation de son ouvrage "L'étoffe
de la réalité], Seth Lloyd ne s'embarrasse
pas ici de l'hypothèse des multivers. Pour lui,
seul compte l'univers tel que nous le connaissons dans
l'état actuel de la science. Les choix non retenus
par l'ordinateur quantique universel, c'est-à-dire
les innombrables autres types d'univers perdus lors des
opérations de décohérence, ne le
préoccupent pas plus qu'un promeneur ne s'interroge
sur ce qui se serait passé s'il avait pris tel
embranchement au lieu de celui qu'il a effectivement choisi.
C'est une position raisonnable que nous ne pouvons qu'approuver.
Commentaires
Précisons d'emblée que le livre est remarquablement
lisible (à condition de connaître l'anglais,
of course). L'auteur évite soigneusement les équations
toujours rébarbatives. Il illustre chacun des termes
un peu techniques qu'il doit employer par des exemples ou
des croquis simples qui permettent de les comprendre, même
si l'on n'est pas étudiant en sciences. Par ailleurs
l'ouvrage est parsemé, sur le mode américain,
d'anecdotes plaisantes personnelles concernant l'auteur et
ses expériences universitaires.
Concernant la thèse elle-même, il se trouvera
sans doute des critiques réfutant tels ou tels
points précis, par exemple l'hypothèse relative
à la possibilité de trouver une formule
pour résoudre la question de la gravitation quantique
sans faire appel aux hypothèses de la théorie
des cordes et autres M. Théories (auxquelles l'auteur
manifestement n'accorde aucun crédit) . Mais pour
le reste, on ne voit pas pourquoi refuser l'hypothèse
selon laquelle l'univers observable se comporterait comme
un ordinateur quantique. Elle est conforme à l'importance
que prend de plus en plus en théorie et en pratique
la physique quantique dans les explications scientifiques
intéressant l'univers, au niveau cosmologique comme
au niveau sub-atomique. Par ailleurs, il est incontestable
que, malgré les difficultés pratiques rencontrées,
la construction effective d'ordinateurs quantiques disposant
d'un nombre suffisant de q.bits pour concurrencer les
ordinateurs digitaux devrait progresser dans les années
prochaines.
Nous dirions davantage. L'ouvrage de Seth Lloyd vient à
point nommé pour préciser les points qui demeuraient
obscurs ou flous dans les «histoires de l'univers»
présentées par la science contemporaine. Dans
l'article que nous avons nous-mêmes publié il
y a quelques semaines(6)
le lecteur aura noté les imprécisions
gênantes qui marquent les passages relatifs aux origines
de l'univers et de la complexité. A la lueur du livre
de Seth Lloyd, cet article pourra désormais, pensons-nous,
être réécrit avec des précisions
plus convaincantes concernant ces points.
Plus généralement, dans cette revue, comme dans
le livre disponible en ligne sous le titre Comprendre.
Nouvelles sciences, nouveaux citoyens(7),
nous avions résumé plusieurs travaux de chercheurs
développant ce que nous avions appelé l'hypothèse
constructionniste ou du «réel humanisé».
Il s'agit de postuler que les espèces vivantes et l'humanité
en particulier, construisent un univers aussi adapté
que possible à leurs exigences de survie en n' «observant»
dans le monde que ce qui leur est favorable. L'important travail
de Mme Mugur-Schächter, en particulier, montre qu'il
est illusoire de parler d'un réel en soi existant en
dehors des observations. C'est l'observation, que ce soit
dans les sciences macroscopiques ou en physique quantique
(réduction du paquet d'ondes) qui crée le réel
sur lequel l'humanité s'appuie pour se développer.
Il ne s'agit pas en ce cas d'un réel hypothétique,
mais d'un réel relatif créé par l'homme.
Nous avions étendu cette hypothèse à
l'ensemble des processus par lesquels l'interaction entre
des entités biologiques ou matérielles du monde
macroscopique avec des entités quantiques amène
celles-ci à décohérer dans le sens favorable
à la survie de ces entités macroscopiques.
Nous pouvons penser que le livre de Seth Lloyd confirme cette
approche, en l'étendant au cosmos tout entier. Au fur
et à mesure de la progression de l'ordinateur quantique
universel dans la construction de complexifications reposant
sur des processus d'acquisition de néguentropie, énergétique
et informationnelle, notre univers approfondit et diversifie
la route initialement choisie par hasard et conduisant, sur
Terre tout au moins, à l'apparition de la vie et de
la conscience. Il n'y a cependant pas de marche obligée
vers plus de vie et de conscience, car des accidents dus à
des fluctuations quantiques peuvent toujours se produire (de
même que mon ordinateur pourrait s'arrêter subitement
de fonctionner ou, au contraire, refuser de s'arrêter).
Mais chaque jour qui passe renforce la cohérence globale
des solutions adoptées par notre univers, dont bénéficient
la vie et la conscience.
Est-ce à dire que nous suivrons l'auteur qui, par
son titre (Programming the Universe), semble
laisser penser que l'humanité serait désormais
capable de programmer, reprogrammer ou déprogrammer
tout ou partie de l'univers grâce aux ordinateurs
quantiques? Certainement pas. L'humanité en est
loin. Le titre semble dicté par un souci commercial
(faire acheter l'ouvrage) plutôt que par la rigueur
scientifique. Les perspectives à très long
terme qu'il évoque lui-même dans le dernier
chapitre sont d'ailleurs assez décourageantes.
Dans le grand futur, la vie, l'intelligence et la conscience
lui paraissent condamnées à mort. On est
loin des perspectives encourageantes proposées
par l'auteur de Biocosm(8).
Mais comme il s'agit à ce niveau de spéculations
métaphysiques, le lecteur ne s'arrêtera pas
à ces lugubres perspectives.
Notes
(1) Pourquoi
ce sous-titre? Pour rappeler nos propres opinions philosophiques,
confortées par la lecture du livre de Seth Lloyd.
Avec le terme d'auto-construction naturelle, nous postulons
l'existence d'un processus ayant sa propre logique, laquelle
se trouve dans les lois de la nature. On ne connaît
pas encore toutes ces lois, mais on estime pouvoir les
préciser grâce à la science. Ce processus
de construction de l'univers est donc entièrement
matériel (ou matérialiste) et ne doit rien
à l'intervention d'une quelconque entité
spirituelle. Le terme de construction rappelle par ailleurs
qu'il s'agit d'un processus s'inscrivant dans le temps,
dont l'évolution future ne peut être précisée.
On ne peut donc pas, contrairement à ce que voudraient
les spiritualistes, lui assigner des finalités
quelconques.
Quant au terme de "notre univers" il se borne
à rappeler que, comme Seth Lloyd, nous ne refusons
pas l'hypothèses des univers multiples, mais que
nous ne nous intéressons ici qu'à l'univers
visible par nous (l'univers à l'intérieur
de l'horizon de notre espace-temps, "within the
horizon"), le seul sur lequel en l'état
actuel des connaissances nous pouvons agir. 
(2) On
sait que certains scientifiques hésitent dorénavant
à considérer le Big Bang comme un événement
unique, spécifique à notre univers. Ils
y voient plutôt un type d'émergence pouvant
se produire à tous moments à partir du vide
quantique.
(3) Voir
notre article "Trous Noirs ou étoiles à
énergie noire?" http://www.admiroutes.asso.fr/larevue/2006/72/gravastar.htm
(4) Konrad
Suze a été le premier à évoquer
cette idée dès 1968 (cf http://www.idsia.ch/~juergen/digitalphysics.html),
publiant l'année suivante "Rechnender Raum"
livre publié chez Friedrich Vieweg & Sohn,
Braunschweig, 1969. On peut en trouver une version traduite
en anglais (Computing Space)) sur ftp://ftp.idsia.ch/pub/juergen/zuserechnenderraum.pdf
(5) Sur
les portes logiques, voir Electronique pour tous :
http://www.electronique-pour-tous.com/html/principal/electronique/logiques.shtml
(6) "Pour
un principe matérialiste fort" : http://www.admiroutes.asso.fr/larevue/2006/72/materialisme.htm
(7)Baquiast.
Comprendre. Nouvelles sciences, nouveaux citoyens
2005 : http://www.admiroutes.asso.fr/baquiast.htm
(8)Voir
notre recension :
http://www.automatesintelligents.com/biblionet/2006/fev/bioscom.html
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Addendum. Quelques questions réponses
Nous
n'examinons pas ici toutes les assertions du livre
(par exemple celles concernant la complexité
ou les règles de la mécanique quantique
(qui supposons-le, sont déjà connues
de nos lecteurs) mais celles plus originales intéressant
la théorie quantique de l'information. Les
réponses présentées comme celles
de Seth Lloyd sont en fait, le lecteur l'a compris,
celles qu'à la lecture du livre, nous croyons
comprendre que ferait Seth Lloyd .
1.
Les systèmes physiques utilisent-ils obligatoirement
la numération binaire ? Seth Lloyd
(SL) répond: non. Un système
à deux états enregistre 2 bits, un système
à 8 états enregistre 3 bits, etc. Comme
nul n'est là pour en décider, c'est
la structure des systèmes qui impose tel type
de numération. De plus, dans la nature, la
valeur d'un enregistrement n'est pas nécessairement
discrète (0 ou 1). Elle peut varier entre 0
et 1. Ceci permet d'utiliser des ordinateurs analogiques
pour simuler certains systèmes physiques. Mais
de plus en plus, on tend à considérer
que les systèmes physiques sont constitués
d'unités discrètes et que par ailleurs
le nombre de leurs états distincts est fini.
2.
Y a-t-il des bits partout dans la nature ? SL
répond : l'univers est fait de bits.
Chaque molécule, chaque atome, chaque particule
élémentaire enregistrent des bits d'information.
Mais ces bits n'ont pas la même valeur. Leur
valeur dépend de la question posée.
Le bit qui définit l'identité d'une
paire de base dans un gène a plus d'importance
que celui qui enregistre l'activité d'un atome
de carbone dans un matériau.
3. Quels langages parlent les bits de la nature ?
SL répond : ils parlent le
langage de la physique quantique, d'abord, de la physique
macroscopique ensuite. Pour leur parler, il faut simultanément
découvrir ces lois et inventer les instruments
adéquats : par exemple les lasers capables
de modifier le spin d'une particule. Il s'agit d'un
gros travail, mais bien engagé de nos jours.
4. Mais qu'en est-il de l'algèbre booléenne
? Le livre décrit les portes logiques que l'on
retrouve dans les systèmes de traitement de
l'information naturels. Pourtant personne n'a appris
l'algèbre booléenne à l'ordinateur
naturel. JPB répond : la réponse
est la même que celle appelée par la
question plus fréquemment posée des
mathématiques dans la nature. Les mathématiques,
comme les règles du calcul informatique humain,
sont une façon de représenter dans nos
langages et plus profondément dans nos cerveaux
des phénomènes naturels. Ainsi, quand
deux énergies de même sens s'ajoutent
dans la nature, elles obéissent tout naturellement
à la règle logique ET, sans avoir appris
à programmer l'addition.
5. Comment concevoir pratiquement le processus qui
constitue le point fort de l'argument de SL : l'univers
est, à la fois, un système physique
ET un système de traitement de l'information
(qui plus est, quantique). N'a-t-on pas là,
soit une impossibilité, soit une banalité
? JPB répond: SL n'est pas
clair sur ce point. Peut-être pour lui ne s'agit-il
que d'une image à ne pas prendre au pied de
la lettre. Cependant, réfléchissons.
Reprenons l'exemple d'un rayon ionisant qui modifie
l'état d'un atome au sein d'un gène
et d'un bit dans la mémoire de mon ordinateur.
Dans les deux cas se produit une opération
informatique. Cette opération n'a de conséquences
que parce que le gène et mon ordinateur sont
en fait des machines à traiter de l'information,
c'est-à-dire à déclencher des
programmes en chaîne, grâce à leur
architecture qui comporte de nombreux circuits, portes
logiques, etc. Ni l'un ni l'autre ne procèdent
à un calcul informatique préalable (fut-il
quantique) avant de se demander comment ils vont réagir
physiquement à la nouvelle information reçue.
Ils réagissent spontanément.
Mais pourquoi le gène et mon ordinateur sont-ils
architecturés comme des machines à traiter
de l'information ? En ce qui concerne l'ordinateur,
la réponse est évidente. En ce qui concerne
le gène et tous les systèmes naturels
quels qu'ils soient, les évolutionnistes diront
qu'ils n'ont survécu que parce qu'ils ont été
sélectionnés pour traiter logiquement
l'information, au lieu de la recevoir dans le désordre
et n'en rien faire. Ceci quel que soit le type de
traitement qu'ils sont capables d'appliquer à
l'information, quantique ou digital .
SL ajouterait sans doute que la sélection des
systèmes physiques de notre univers a été
faite, aux origines, à partir des choix multiples
rendus possibles par le calcul quantique. C'est cette
variété de solutions possibles qui a
permis la diversité de l'univers, même
si la plupart des possibilités proposées
par le calcul quantique n'ont pas été
retenues par la nature. Le processus se poursuit encore
à des niveaux que nous ne savons pas encore
apercevoir (par exemple en ce qui concerne l'organisation
du traitement de l'information dans le cerveau, aboutissant
à ce que l'on appelle la conscience volontaire).
6. Pourrait-on alors penser que si les humains ont
« inventé » l'ordinateur, ils se
sont bornés à redécouvrir et
formaliser des processus existants déjà
dans la nature. Ceci expliquerait les progrès
énormes accomplis par l'informatique et la
science de l'information depuis l'invention des ordinateurs
artificiels ? SL répond :
oui. Il en est de même dans de nombreux systèmes
artificiels adaptant des dispositifs naturels, sans
nécessairement l'avoir recherché initialement.
Exemple : le sonar.
7. Qu'est-ce qui pousse un système physique
à calculer, autrement dit à traiter
de l'information ? SL répond
: tous les systèmes physiques enregistrent
de l'information et, quand ils évoluent dynamiquement,
ils transforment et traitent cette information. Mais
pourquoi évoluent-ils dynamiquement au lieu
de rester inertes ? Parce qu'ils consomment l'énergie
libre rendue disponible dès les origines de
l'univers.
8. Si l'univers constitue un ordinateur quantique
universel, comme l'affirme SL, pourquoi n'observons
nous pas (en général) de calculs quantiques
dans la nature, mais des calculs classiques. SL
répond : parce que nos moyens d'observations
appartenant au monde macroscopique obligent les q.bits
à décohérer. Nous ne voyons alors
qu'un seul calcul parmi un grand nombre d'autres.
Les calculs que nous ne voyons pas se perdent dans
le multivers quantique.
Une autre réponse, bien plus fondamentale,
est qu'en fait aujourd'hui nous ne savons pas bien
comment fonctionne un ordinateur quantique naturel
(universel) parce que nous n'avons pas encore construit
d'équivalents artificiels suffisamment performants.
Découvrir le fonctionnement de l'ordinateur
quantique universel, pour le cas échéant
modéliser d'abord, reprogrammer ensuite, l'univers
ou des parties de celui-ci, constitue une des raisons
fortes pour construire des ordinateurs quantiques
plus performants que ceux existant actuellement. JPB
ajoute : Il est donc dommage de constater
que cet objectif n'intéresse que médiocrement
aujourd'hui, tant les communautés scientifiques
que les bailleurs de fonds.
9. Mais alors, nos moyens d'observations ne nous font-ils
voir que ce qu'ils sont déjà capables
de voir ? Notre connaissance du monde ne tourne-t-elle
pas alors en rond, autour de ce que veut bien reconnaître
« la conscience de l'observateur » (pour
reprendre une expression classique) ? JPB
répond : c'est la question abordée
ci-dessus dans l'article à propos du constructivisme
et des travaux de Mme Mugur-Schächter concernant
le caractère relatif du réel. Nous «
qualifions » les entités quantiques en
fonction des questions que nous sommes capables de
leur poser. On pourrait craindre ce faisant, effectivement,
de tourner en rond. Mais en fait, comme ces questions
ne sont pas nécessairement redondantes (elles
aussi fluctuent), nous pouvons élargir notre
construction du monde en prenant en compte et assimilant
de nouvelles réponses de la nature, venant
elles-mêmes de calculs quantiques de l'univers
auxquels nous avons partiellement accès.
Par ailleurs, quand nous construirons de véritables
ordinateurs quantiques, capables d'importants calculs,
nous pourrons simuler l'univers (c'est-à-dire
le fonctionnement du calculateur quantique universel)
sur de vastes échelles et ce faisant faire
apparaître des aspects de lui encore inconnus.
Nous pourrons même le reprogrammer différemment,
ce que semble suggérer le litre du livre de
SL.
10. Les lois de la physique sont-elles antérieures
à l'apparition de l'univers ? JPB répond:
SL ne nous semble pas clair sur ce point. D'une part
il considère, ce qui parait normal, qu'un certain
nombre de lois physiques sont indépendantes
de l'apparition de notre univers. Ce serait le cas
des lois de la physique quantique qui gouverneraient
le comportement de l'énergie du vide initiale
avant l'apparition de tous systèmes physiques,
quels qu'ils soient. Mais d'autres lois auraient été
établies par les premiers calculs auxquels
se serait livré notre univers. Nous pouvons
penser qu'en effet, il existe dans la nature une hiérarchie
de lois fondamentales, dont en premier lieu celles
de la physique quantique. Ces dernières, en
bonne logique, ne devraient pas être liées
à l'apparition du temps, de la matière
et de l'espace, c'est-à-dire à l'apparition
de notre univers. De toutes façons, il faut
admettre, avec SL et beaucoup d'autres, que les lois
les plus fondamentales sont les plus simples. C'est
de l'interaction de simples lois que naissent toutes
les complexités macroscopiques que nous connaissons.
11. Les lois de la physique quantique ne sont pas
déterministes. Elles sont seulement probabilistes
et à de larges échelles. Le futur qu'elles
peuvent prédire est donc fondamentalement imprévisible.
Pourquoi en ce cas l'univers nous apparaît-il
déterminé ? SL répond
: la nature macroscopique est fondamentalement
le résultat de probabilités concernant
l'état des entités quantiques sous-jacentes.
Vous et moi n'existons macroscopiquement que parce
qu'à grande échelle, il y a de fortes
probabilités que nous existions. JPB
ajoute : Mais il arrive que des événements
quantiques imprévus viennent bouleverser l'ordre
(apparent) des systèmes macroscopiques (nous
avons cité dans l'article ci-dessus le cas
où un rayon ionisant introduisant une particule
quantique de haute énergie perturbe un gène
ou la mémoire de mon ordinateur).
12. D'où viennent les bits d'information de
l'univers primitif ? SL répond :
de la combinaison des lois de la mécanique
quantique avec celles de la gravité. L'univers
primitif était uniforme, la densité
d'énergie était partout la même.
Il n'y avait pas de bits d'information (ou très
peu). Mais la mécanique quantique interdit
de préciser l'état exact (position et
impulsion) des particules individuelles. Cet état
fluctue donc légèrement. De ce fait,
certaines régions de l'univers ont pu être
plus denses que d'autres. La gravité a obligé
la matière à se diriger vers ces régions,
ce qui a renforcé les inégalités
de densité et donné naissance aux galaxies
et autres agrégations de matière. L'accélération
de la matière vers les zones denses, sous l'effet
de la gravité, l'a échauffé et
a libéré de l'énergie libre.
A chaque fois des bits d'information ont été
créés en grand nombre, correspondant
aux détails matériels de plus en plus
nombreux qui apparaissaient. Par ailleurs, il faut
rappeler que les fluctuations quantiques aléatoires
interviennent en permanence pour introduire de la
nouveauté dans l'univers.
13. Pourquoi alors distinguer l'univers et l'ordinateur
quantique universel dans lequel se produisent ces
fluctuations et ces créations d'informations
? SL répond : il n'y a pas
lieu de les distinguer. Il s'agit d'une seule et même
chose. L'univers est un ordinateur quantique de taille
égale à lui-même.
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Seth
Lloyd est professeur d'ingénierie quantique
(quantum Mechanical Engineering) au MIT et concepteur
du premier ordinateur quantique pratiquement
réalisable.