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Vers une physique de l’information

Lorsqu’on a trop longtemps le nez dans le guidon, on en vient trop vite à considérer le numérique comme une simple technique, aux impacts évidents certes, mais finalement pas plus fondamentale que la mécanique auto. Or il s’agit de tout autre chose.

Depuis sa naissance, avec John von Neumann et Alan Turing (et même avant, si on remonte jusqu’à Leibniz) la réflexion sur la “computation” traitait avant tout de la nature de l’esprit, voire de celle de la réalité elle-même.

Comme Turing, von Neumann ou aujourd’hui Stephen Wolfram, le physicien David Deutsch fait partie de cette lignée de “philosophes du numérique”, et son apport dans ce domaine a été considérable puisqu’il est l’un des pères de l’informatique quantique, qu’il avait imaginé dès les années 80. A noter que Deutsch s’intéresse moins à l’ordinateur quantique comme système susceptible, par exemple de craquer les codes cryptographiques que comme expérience philosophique sur la nature du cosmos, et notamment pour établir la vérité de la théorie d’Everett, Wheeler et Graham sur l’interprétation “multivers” de la mécanique quantique, une thèse longtemps marginale, mais qui gagne de plus en plus d’adeptes dans les milieux de la physique, notamment en cosmologie. C’est l’idée selon laquelle chaque événement quantique donne naissance à de nouveaux univers, chacun possédant une histoire légèrement différente de celle de ses congénères : un univers où vous ne lisez pas InternetActu en ce moment, mais le magazine Voici. Un autre où cet article concerne l’un des grands théoriciens de la physique quantique nommé… Bill Gates, etc.

Deutsch a écrit deux livres tout à fait passionnants et importants : L’étoffe de la réalité, paru en français aux éditions Cassini, et The Beginning of Infinity, non encore traduit dans notre langue (espérons que ça ne va pas trop tarder).

Aujourd’hui en compagnie de Chiara Marletto, une autre physicienne d’Oxford, Deutsch a élaboré sa “théorie du constructeur“, qui a eu les honneurs de la couverture du New Scientist du mois de mai (avec un article de Deutsch et Marletto eux-mêmes, intitulé modestement : “pourquoi nous devons reconstruire l’univers“) et un article sur Scientific American.

Sur les fondements de la théorie, il existe deux papiers, un premier, philosophique, écrit par Deutsch seul (sans trop de maths) et un autre plus technique, tout récent (avec trop de maths).

544px-Schroedingers_cat_film.svgUne physique du possible

La théorie de Deutsch repose avant tout sur un renversement de perspective par rapport à la pensée physique traditionnelle : celle-ci réfléchit avant tout à ce qui existe et se base pour cela sur deux piliers : l’état initial et les lois du mouvement. Pour Deutsch, cette fascination pour l’état initial est un reste de pensée théologique, la croyance en un dieu qui, à l’origine, aurait créé l’univers et que tout découlerait de cette création. Conséquence de cette vision des choses : il n’existe qu’un résultat possible à partir d’un ensemble donné de conditions initiales.

Au contraire, la “théorie du constructeur” s’intéresse à ce qui est possible. Il s’agit en fait d’établir une série de principes de base permettant de définir ce qui est possible et ce qui ne l’est pas. C’est donc une vision beaucoup plus ouverte que la conception traditionnelle, qui se concentre exclusivement sur l’existant.

Un constructeur est un dispositif capable, si on lui donne un input A, de produire un résultat B, et surtout, une fois cette transformation effectuée, de recommencer la même tâche. Une machine à vapeur est un tel constructeur, mais on en trouve aussi dans la nature, comme les ribosomes au cœur de la cellule, ou plus généralement, les catalyseurs dans le domaine de la chimie.

Il existe plusieurs sortes de constructeurs. Certains sont capables de changer la nature de leur travail en fonction d’instructions fournies par l’extérieur : ce sont des constructeurs programmables. C’est le cas par exemple des ribosomes. D’autres constructeurs ont la capacité de copier les caractéristiques du système d’entrée : ce sont des médias d’information. De fait, la théorie de Deutsch et Marletto constitue un effort pour donner une base physique à la notion d’information. Ce n’est pas la première fois que Deutsch revient sur ce point, qui était l’un des thèmes majeurs de son livre L’étoffe de la réalité, paru en 1997 : on ne peut considérer les systèmes d’information comme de pures structures abstraites, platoniciennes, ils consomment de l’énergie, nécessitent du stockage, etc. Mais surtout, la nature même de l’information dépend des lois physiques. En effet, explique-t-il, le fait même que l’informatique quantique puisse permettre l’existence d’algorithmes inexistants avec les ordinateurs classiques montre bien que la manière dont nous “pensons”, nous “calculons”, dépend directement des lois physiques.

Nos conceptions actuelles de l’information reposent essentiellement sur le binaire, les 0 et les 1 à la base des ordinateurs contemporains. Mais il s’agit d’une information “classique”, à laquelle s’oppose celle dite quantique, dans laquelle un système peut prendre à la fois les valeurs 0 et 1. Or il n’existe pas de théorie unifiée permettant d’expliquer grâce à un ensemble unique de principes de bases ces deux types d’informations.

Deutsch et Marletto affirment, eux, y avoir réussi. Lorsqu’on pense le quantique en gardant l’état d’esprit classique, expliquent-ils, on a tendance à complexifier les choses, à rajouter de nouveaux principes plus ou moins bizarres. Mais leur théorie permet d’imaginer des médias d’information pour lesquels certaines tâches seraient impossibles : notamment celles qui consistent à copier intégralement les données originelles sur un autre support. A partir de cette limite, il devient facile, selon eux, de “dériver” toutes les propriétés de l’information quantique, et notamment l’intrication (le fait que deux particules élémentaires qui se sont rencontrées restent dépendantes de l’une de l’autre, quelque soit leur distance et donc au mépris de la règle selon laquelle rien ne peut aller plus vite que la lumière : un truc que n’aimait pas du tout Einstein !). Or c’est cette intrication qui est à la base de la cryptographie quantique, par exemple. Bien que la théorie du constructeur ne vise pas spécialement les applications pratiques, elle pourrait, si elle est confirmée, donner un coup d’accélérateur aux travaux sur les ordinateurs quantiques.

Comme Deutsch l’explique dans Scientific American : “Si nous voulons faire des progrès dans la recherche de nouveaux algorithmes pour les ordinateurs quantiques, nous avons besoin de comprendre ce que l’information quantique est réellement !… Jusqu’à présent, les algorithmes découverts pour ces machines ont été des surprises découvertes par hasard parce que nous n’avons pas de théorie sous-jacente pour nous guider.”

boi_cover_largeUne méta-loi au dessus des lois

En un sens très particulier, la théorie du constructeur est une théorie du tout. Mais il ne s’agit pas d’une théorie du tout au sens traditionnel, c’est-à-dire un système qui permet d’unifier les lois de la physique en en découvrant les composants les plus fins, comme le proposent la théorie des cordes ou la gravité quantique à boucle. Non cela se situe à un autre niveau. C’est une “méta-loi” qui est en mesure de déterminer le comportement de tout un ensemble de lois de la physique, même celles qui ne sont pas encore connues. Dans leur texte, Deutsch et Marletto donnent un autre exemple d’une de ces méta-lois, celle de la conservation de l’énergie. Quel que soit le système physique envisagé, on sait que l’énergie ne se perdra ni ne se créera jamais. Elle se contente de passer d’une expression à une autre. C’est vrai à tous les niveaux, que ce soit avec une machine à vapeur ou lors d’une interaction entre particules élémentaires. Et cela est vrai même pour des lois que nous ne connaissons pas encore, décrivant les interactions entre “supercordes” par exemple.

Comme le développe un article du blog d’arxiv sur la théorie de Deusch et Marletto : “L’information est similaire à l’énergie sous cet aspect. On peut l’encoder en utilisant la lumière, la chimie, l’électronique, les signaux de fumée et autres, et tous ces supports reposent sur des lois physiques différentes. Cependant, l’information elle-même en est séparée. Elle est indépendante du substrat. Mais l’information est préservée indépendamment des lois mises en jeu”.

De la dignité de l’être humain…

Sur le plan philosophique, les thèses de Deutsch ouvrent une révolution copernicienne “inversée”. En effet, sa théorie du “constructeur”, en insistant sur ce qui est possible et non sur ce qui est, replace la connaissance au sein des lois physiques et donne donc aux êtres humains (ou leurs équivalents sur d’autres planètes) un rôle fondamental dans la structure de l’univers. Pourquoi une révolution “inversée” ? Parce que la disparition du modèle géocentrique (et par la suite la découverte de la sélection naturelle) a placé l’homme à la périphérie du monde en en faisant une production dénuée d’importance dans l’ordre des choses, un simple effet secondaire du jeu de la physique et de la chimie. Mais cette vison soi-disant copernicienne, ce “principe de médiocrité”, comme il la nomme dans The Beginning of Infinity, est totalement faussée. En fait, la connaissance telle qu’elle s’exprime chez l’être humain possède déjà un impact sur l’architecture du cosmos : par exemple les lieux les plus froids de l’univers, rappelle Deutsch, (un millionième de kelvin au dessous du zéro absolu), sont situés dans certains labos. Donc, il existe certains phénomènes physiques extrêmes (on pourrait aussi parler de la recréation des conditions du Big Bang au CERN) qui ne peuvent qu’être artificiels. Parler de physique, c’est donc nécessairement parler des êtres qui l’étudient et de leur technologie. Un fait que la théorie du constructeur met en évidence, mais que la physique traditionnelle ignore ou considère de peu d’importance.

Et Deutsch enfonce le clou dans son papier “philosophique” :

“L’histoire de la manière dont se produit une transformation est celle de la connaissance qui pourrait être générée et appliquée pour la provoquer. Une partie de cette histoire, dans la plupart des cas, est celle de la façon dont les gens (les êtres intelligents) créent cette connaissance et de la raison pour laquelle ils choisissent d’appliquer celle-ci d’une certaine manière, tout en rejetant ou modifiant d’autres approches (donc la connaissance morale est déterminante). Par conséquent, du point de vue de la théorie du constructeur, la physique devient presque entièrement la théorie des effets que la connaissance (…) peut exercer sur le monde physique, via les gens.”

La théorie de Deutsch réévalue l’importance de l’être humain au sein du cosmos, et redonne un fondement solide à la notion de progrès. Même si on ne sait pas si les applications pratiques suivront, cela est déjà en soi une avancée fondamentale.

Rémi Sussan

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