{"id":280994,"date":"2019-04-09T18:43:19","date_gmt":"2019-04-09T21:43:19","guid":{"rendered":"http:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/?p=280994"},"modified":"2019-04-15T16:42:41","modified_gmt":"2019-04-15T19:42:41","slug":"diablerie-quantique","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/diablerie-quantique\/","title":{"rendered":"Diablerie quantique"},"content":{"rendered":"
\"\"

Fundamentals of Cybernetics<\/em> | A. Y. Lerner | Springer<\/span><\/a> Travail de 1975 du math\u00e9maticien russe Alexander Lerner qui repr\u00e9sente le d\u00e9mon de Maxwell dans un des r\u00e9cipients contenant les mol\u00e9cules de gaz qu\u2019il devait s\u00e9lectionnerFundamentals of Cybernetics<\/em> | A. Y. Lerner | Springer<\/span><\/p><\/div>\n

La production al\u00e9atoire de chaleur dans le monde microscopique est l\u2019un des principaux obstacles aux avanc\u00e9es nanotechnologiques. \u00c0 mesure que les nanodispositifs deviennent toujours plus petits, plus complexes, avec des \u00e9l\u00e9ments \u00e0 l\u2019\u00e9chelle mol\u00e9culaire ou m\u00eame atomique, ils pr\u00e9sentent un risque de dangerosit\u00e9 \u00e9lev\u00e9 en termes de fluctuations quantiques durant leur fonctionnement. Ces fluctuations sont des variations brutales et impr\u00e9visibles d\u2019\u00e9nergie, r\u00e9gies par les lois probabilistiques de la m\u00e9canique quantique, qui peuvent endommager les nanom\u00e9canismes. Sous la houlette de Roberto Serra, professeur \u00e0 l\u2019Universit\u00e9 F\u00e9d\u00e9rale de l\u2019ABC (UFABC), un groupe de physiciens br\u00e9siliens a r\u00e9dig\u00e9 un article, pu-bli\u00e9 d\u00e9but d\u00e9cembre 2016\u00a0dans la revue Physical Review Letters,<\/em> dans lequel ils pr\u00e9sentent une technique qui att\u00e9nue ces fluctuations au niveau subatomique.<\/p>\n

Les fluctuations microscopiques d\u2019\u00e9nergie et de chaleur peuvent endommager les nanomachines telle la surchauffe excessive et incontr\u00f4l\u00e9e d\u2019un moteur macroscopique conventionnel comme celui d\u2019une voiture. Au cours de la R\u00e9volution Industrielle du XIXe<\/sup> si\u00e8cle, les recherches men\u00e9es sur le fonctionnement des soupapes de pression et des r\u00e9frig\u00e9rateurs ont favoris\u00e9 le d\u00e9veloppement de la thermodynamique classique (domaine de la physique qui \u00e9tudie la conversion de l\u2019\u00e9nergie sous forme de chaleur en \u00e9nergie m\u00e9canique et vice versa). Ces dispositifs ont permis aux moteurs \u00e0 vapeur et \u00e0 combustion interne de devenir plus s\u00fbrs et plus efficaces. Roberto Serra et ses coll\u00e8gues font partie d\u2019une communaut\u00e9 de physiciens \u00e0 l\u2019avant-garde des progr\u00e8s nanotechnologiques qui d\u00e9veloppent une th\u00e9orie plus g\u00e9n\u00e9rale et d\u00e9taill\u00e9e de la thermodynamique appel\u00e9e thermodynamique quantique hors d\u2019\u00e9quilibre, visant \u00e0 am\u00e9liorer le fonctionnement de dispositifs \u00e0 l\u2019\u00e9chelle mol\u00e9culaire et atomique soumis \u00e0 ces effets quantiques.<\/p>\n

Pour d\u00e9velopper cette nouvelle technique de contr\u00f4le, Roberto Serra et ses coll\u00e8gues se sont inspir\u00e9s du \u00ab\u00a0d\u00e9mon de Maxwell\u00a0\u00bb, un \u00eatre fantastique imagin\u00e9 par le physicien et math\u00e9maticien \u00e9cossais James Clerk Maxwell (1831-1879). Maxwell a \u00e9t\u00e9 l\u2019un des premiers \u00e0 comprendre que la temp\u00e9rature d\u2019un volume donn\u00e9 de gaz d\u00e9pend de la vitesse moyenne de d\u00e9placement des mol\u00e9cules qui le composent. Plus les mol\u00e9cules sont v\u00e9loces, plus le gaz est chaud. Dans une lettre de 1867 adress\u00e9e \u00e0 son coll\u00e8gue Peter Tait, Maxwell avait imagin\u00e9 un \u00eatre microscopique et intelligent, capable de mesurer et d\u2019enregistrer les vitesses de toutes les mol\u00e9cules de gaz. Dans cette exp\u00e9rience de pens\u00e9e, l\u2019\u00eatre contr\u00f4lait un robinet reliant deux r\u00e9cipients identiques remplis d\u2019un gaz maintenu \u00e0 la m\u00eame temp\u00e9rature. En ouvrant et en fermant rapidement ce robinet, la cr\u00e9ature s\u00e9lectionnait les mol\u00e9cules de gaz, qui devenaient moins rapides que la moyenne et donc plus froides dans un des r\u00e9cipients et plus rapides dans l\u2019autre.<\/p>\n

Une exp\u00e9rience avec des mol\u00e9cules de chloroforme et des impulsions \u00e9lectromagn\u00e9tiques reproduit l\u2019exp\u00e9rience de pens\u00e9e propos\u00e9e au XIXe si\u00e8cle<\/p><\/blockquote>\n

P\u00e9ch\u00e9 thermodynamique<\/strong>
\nDans un article publi\u00e9 dans Nature<\/em> en 1874, le physicien irlandais William Thomson, plus connu sous le nom de Lord Kelvin, a baptis\u00e9 l\u2019\u00eatre intelligent de d\u00e9mon, pour souligner le fait que la cr\u00e9ature, en r\u00e9chauffant le gaz d\u2019un r\u00e9cipient et en refroidissant simultan\u00e9ment le gaz de l\u2019autre, commettait le p\u00e9ch\u00e9 de violer la deuxi\u00e8me loi de la thermodynamique.<\/p>\n

Cette loi affirme qu\u2019un corps isol\u00e9, ou qu\u2019un ensemble de corps isol\u00e9s, poss\u00e8de une propri\u00e9t\u00e9 appel\u00e9e entropie qui tend toujours \u00e0 augmenter avec le temps. Pour un ensemble de particules, l\u2019entropie est le nombre de configurations possibles entre elles pour une situation donn\u00e9e.<\/p>\n

En s\u00e9lectionnant les mol\u00e9cules de gaz en fonction de leur vitesse, le d\u00e9mon diminuerait le nombre de configurations possibles du syst\u00e8me r\u00e9duisant ainsi son entropie. L\u2019article de William Thomson a donc jet\u00e9 un doute chez les physiciens : le d\u00e9mon serait-il une simple fantaisie ou est-ce que cette exp\u00e9rience de pens\u00e9e pointerait une faille dans la compr\u00e9hension des lois de la thermodynamique ?<\/p>\n

Plus d\u2019un si\u00e8cle plus tard, en 1982, le physicien nord-am\u00e9ricain Charles Bennett, alors chercheur chez IBM, a compris que pour que cela puisse fonctionner dans la pratique le d\u00e9mon de Maxwell devrait enregistrer l\u2019information relative \u00e0 la vitesse des mol\u00e9cules du gaz sur un substrat physique tout comme les octets de la m\u00e9moire d\u2019un ordinateur. Or, il se trouve que l\u2019\u00e9criture et l\u2019effacement de donn\u00e9es sur une m\u00e9moire ne peut se faire sans produire de chaleur, conform\u00e9ment aux d\u00e9couvertes de Rolf Landauer autre chercheur d\u2019IBM, quelques ann\u00e9es auparavant. La production de chaleur augmente toujours l\u2019entropie.<\/p>\n

\"\"

Darling & Hulburt, American Journal of Physics<\/em>, 23-7, 1955<\/span><\/a> Dans un article publi\u00e9 en 1955 dans la revue American Journal of Physics<\/em>, le personnage imaginaire contr\u00f4le le flux des mol\u00e9cules de gaz de l\u2019ext\u00e9rieur des r\u00e9cipientsDarling & Hulburt, American Journal of Physics<\/em>, 23-7, 1955<\/span><\/p><\/div>\n

Quand on \u00e9value l\u2019augmentation et la r\u00e9duction de chaleur dans les deux \u00e9tapes de ce processus on s\u2019aper\u00e7oit que la deuxi\u00e8me loi de la thermodynamique n\u2019est jamais viol\u00e9e. En effet, le d\u00e9mon peut diminuer l\u2019entropie \u00e0 l\u2019int\u00e9rieur des r\u00e9cipients de gaz en s\u00e9lectionnant les mol\u00e9cules, mais la chaleur produite pour enregistrer leur vitesse dans la m\u00e9moire augmente beaucoup plus l\u2019entropie \u00e0 l\u2019ext\u00e9rieur des r\u00e9cipients. Les calculs ont montr\u00e9 que la cr\u00e9ature surnaturelle de Maxwell ob\u00e9issait \u00e0 toutes les lois de la physique et que sa fonction pourrait \u00eatre reproduite, dans la pratique, par un m\u00e9canisme automatique contr\u00f4l\u00e9 par la m\u00e9moire d\u2019un ordinateur.<\/p>\n

Depuis lors, des chercheurs ont d\u00e9j\u00e0 cr\u00e9\u00e9 en laboratoire des m\u00e9canismes similaires \u00e0 celui imagin\u00e9 par Maxwell et toujours plus petits. Roberto Serra et ses collaborateurs ont \u00e9t\u00e9 les premiers \u00e0 projeter un d\u00e9mon de Maxwell compl\u00e8tement quantique. Dans un laboratoire du Centre Br\u00e9silien de Recherches Physiques (CBPF), \u00e0 Rio de Janeiro, les chercheurs ont d\u00e9clench\u00e9 des ondes puls\u00e9es \u00e9lectromagn\u00e9tiques sur une solution de mol\u00e9cules de chloroforme (mol\u00e9cule form\u00e9e d\u2019un atome de carbone, d\u2019un atome d\u2019hydrog\u00e8ne et de trois atomes de chlore (CHCl3<\/sub>). L\u2019impulsion \u00e9tait calibr\u00e9e pour produire des fluctuations quantiques dans l\u2019\u00e9nergie des noyaux des atomes de carbone des mol\u00e9cules. Les physiciens ont d\u00e9clench\u00e9 simultan\u00e9ment des ondes \u00e9lectromagn\u00e9tiques suppl\u00e9mentaires afin d\u2019ajuster l\u2019interaction entre le noyau de carbone et le noyau d\u2019hydrog\u00e8ne d\u2019une m\u00eame mol\u00e9cule.<\/p>\n

Les chercheurs sont parvenus \u00e0 utiliser le noyau d\u2019hydrog\u00e8ne comme un d\u00e9mon de Maxwell qui stocke l\u2019information sur l\u2019\u00e9tat du noyau de carbone. Selon le niveau d\u2019\u00e9nergie du noyau de carbone, le noyau d\u2019hydrog\u00e8ne agissait et limitait les fluctuations \u00e9nerg\u00e9tiques de son voisin. L\u2019action des noyaux d\u2019hydrog\u00e8ne a permis que les fluctuations d\u2019\u00e9nergie des noyaux de carbone se produisent avec le moins d\u2019entropie possible. \u00ab\u00a0Nous avons projet\u00e9 ce processus \u00e0 l\u2019aide d\u2019une \u00e9quation math\u00e9matique que nous avons d\u00e9duite et qui associe l\u2019information, l\u2019entropie et l\u2019\u00e9nergie\u00a0\u00bb, explique Roberto Serra. \u00ab\u00a0Il s\u2019agit d\u2019une \u00e9quation g\u00e9n\u00e9rale qui pourra non seulement \u00eatre appliqu\u00e9e \u00e0 des noyaux atomiques mais \u00e9galement \u00e0 tout syst\u00e8me quantique comme des \u00e9lectrons et des photons \u00bb.<\/p>\n

\u00ab\u00a0C\u2019est un travail passionnant\u00a0\u00bb, d\u00e9clare Vlatko Vedral, physicien \u00e0 l\u2019Universit\u00e9 d\u2019Oxford, en Angleterre, qui a particip\u00e9 \u00e0 une exp\u00e9rience men\u00e9e en 2016 utilisant des faisceaux laser pour produire un d\u00e9mon de Maxwell. \u00ab\u00a0Ils ont test\u00e9 une formule qui d\u00e9crit la production d\u2019entropie dans des syst\u00e8mes quantiques et dans des conditions g\u00e9n\u00e9rales. On ne sait pas encore pourquoi l\u2019entropie de l\u2019Univers tend toujours \u00e0 augmenter et cette approche peut nous aider \u00e0 comprendre les origines de la deuxi\u00e8me loi de la thermodynamique\u00a0\u00bb<\/p>\n

Projet<\/strong>
\nInstitut National de Sciences et de technologie en Information Quantique (n\u00ba 2008\/57856-6<\/a>); Modalit\u00e9<\/strong> Projet Th\u00e9matique ; Chercheur responsable Amir Caldeira (Unicamp);\u00a0Investissement<\/strong> 1 977,654,30 R$ (pour tout le projet).<\/p>\n

Article scientifique<\/strong>
\nCAMATI, P. A. et al<\/em>. Experimental rectification of entropy production by Maxwell\u2019s demon in a quantum system<\/a>. Physical Review Letters<\/strong>. v. 117. p. 240502. 5 d\u00e9cembre 2016.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Un groupe de recherche br\u00e9silien est parvenu \u00e0 contr\u00f4ler la chaleur produite par des noyaux atomiques","protected":false},"author":14,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[1180],"tags":[2457],"coauthors":[103],"class_list":["post-280994","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-sciences","tag-physique"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/280994","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/users\/14"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=280994"}],"version-history":[{"count":3,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/280994\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":283378,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/280994\/revisions\/283378"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=280994"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=280994"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=280994"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=280994"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}