16 avril 2006
Présentation et commentaire par Jean-Paul Baquiast. Texte relu et complété par Christophe Jacquemin

Programming the Universe
A quantum computer scientist takes on the Cosmos

Programming the Universe a quantum computer scientist takes on the Cosmos par Seth Lloyd Alfred A. Knopf mars 2006

Seth Lloyd est professeur d'ingénierie quantique (quantum Mechanical Engineering) au MIT et concepteur du premier ordinateur quantique pratiquement réalisable. Il a publié de nombreux articles sur la théorie quantique de l'information. Pour en savoir plus Le site de l'auteur http://www.rle.mit.edu/rleonline/People/SethLloyd.html Article publié dans le site Edge http://www.edge.org/documents/ontheroad/qubit06_index.html Concernant la computation dans l'univers, on pourra aussi consulter l'article : "Computational Capacity of the Universe" (abstract : http://link.aps.org/abstract/PRL/v88/e237901), paru le 10 juin 2002 dans Physical Review Letters. Pour plus d'explications : http://focus.aps.org/v9/st27.html - Voir aussi : "Computational capacity of the Universe" (daté du 24 octobre 2001) http://arxiv.org/PS_cache/quant-ph/pdf/0110/0110141.pdf (17 pages). Sur un sujet voisin on pourra lire le livre du journaliste scientifique Charles Seife : Decoding the Universe: How the New Science of Information Is Explaining Everything in the Cosmos, from Our Brains to Black Holes , février 2006. Sur l'ordinateur quantique, voir Wikipedia (français) http://fr.wikipedia.org/wiki/Ordinateur_quantique et notre article "Pour un grand programme européen : l'ordinateur quantique" Voir aussi : www.idsia.ch/~juergen/ digitalphysics.html Les lecteurs peuvent discuter cet article sur notre Blog http://automatesintelligent.blog.lemonde.fr/...

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.

Celà 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.

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/l
ogiques.shtml
(6) Voir ne article "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 de l'ouvrage

Note au 15 mai 2006. Nous avons reçu du professeur Lloyd, après l'avoir consulté sur l'article, le message suivant que nous transcrivons avec plaisir, en le remerciant. AI.

"Dear M. Baquiast and Jacquemin, Thank you very much for sending me the link to your review. I read it with great interest: You have put considerable effort into constructing a general and understandable summary. Indeed, I felt that you managed to express better than I some of the key points of the book (perhaps they come across better in French; but I suspect that it is because of the care you took in coming up with with felicitous expressions). I would enjoy talking with you in person about your ideas and conceptions and hope that our paths cross soon."

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