Plusieurs millions d’euros pour la recherche quantique et la recherche sur le cerveau

L’un des deux projets, baptisé XrayConnectomics, fera un usage intensif de la Source de Lumière Suisse SLS du PSI. «Notre objectif est de comprendre comment les cellules nerveuses sont interconnectées dans le cerveau et comment elles traitent les informations», explique Adrian Wanner, neuroscientifique au Laboratoire de biologie à l’échelle nanométrique du PSI. Pour ce faire, le chercheur construira une nouvelle station expérimentale à la SLS. Dans un premier temps, il mesurera les activités de centaines de cellules nerveuses, avant d’élucider, à l’aide de la lumière de type rayons X de la SLS, les structures neuronales du tissu cérébral correspondant jusque dans ses moindres ramifications. «Cela nous ouvre de nouvelles perspectives sur le schéma de communication du cerveau, poursuit Adrian Wanner. Les connexions des cellules nerveuses dans le cerveau se forment en fonction des expériences et des processus d’apprentissage.» Mais on ignore encore à quoi ressemblent ces schémas de connexion qui constituent la base de la mémoire de travail, par exemple. C’est ce qu’Adrian Wanner entend découvrir avec son projet de recherche de près de 2,5 millions d'euros qui vient d'être approuvé. «Le projet va générer une énorme quantité de données expérimentales, relève le chercheur. C’est un gros défi que seul le recours à l’intelligence artificielle permettra de relever.» Adrian Wanner espère que ce projet générera de nouvelles connaissances sur le fonctionnement du cerveau et, potentiellement, de nouvelles approches pour des traitements médicaux. «Actuellement, on n’arrive pas à soigner les maladies neurodégénératives», rappelle-t-il. Notamment parce qu’on en sait encore trop peu sur les principes d’organisation des réseaux neuronaux et les différents types de cellules qu’abrite le cerveau. «Avec notre projet, nous voulons contribuer à ce que cela change», souligne Adrian Wanner.

Le qubits, clé des nouveaux calculateurs quantiques

Alexander Grimm, physicien au PSI, se voit lui aussi allouer un ERC Grant pour sa recherche sur les bits quantiques et son nouveau projet COOLCCAT. Bits quantiques – abrégées qubits –constituent la base des calculateurs quantiques, qui supplantent largement les ordinateurs classiques dans certaines applications. Actuellement, les calculateurs quantiques n’existent que sous forme de prototypes isolés. Les chercheurs se heurtent en effet à la difficulté de réaliser des qubits stables. C’est précisément là qu’intervient la recherche d’Alexander Grimm.

«Les qubits sont gouvernés par les règles de l’univers quantique, rappelle-t-il. Dans ce dernier, il n’existe pas seulement les deux états 0 et 1 des bits classiques, mais aussi des superpositions de ces deux états.» De ce fait, un qubit peut adopter un nombre d’états beaucoup plus important. Cet avantage s’assortit toutefois d’un inconvénient: «Les qubits conventionnels ne portent qu’un quantum d’énergie, détaille-t-il. Soit la plus petite quantité d’énergie possible, ce qui les rends très vulnérables aux perturbations et donc aux erreurs.» Or, dans un calculateur quantique, les perturbations sont omniprésentes, car en eux, l’univers quantique se heurte avec ses propres règles à notre univers quotidien avec sa physique classique. Chaque qubit est ainsi raccordé à l’univers de la physique classique, par exemple avec des câbles et de l’électronique, car les qubits doivent aussi être écrits et lus, en fin de compte. Ces interfaces introduisent des perturbations dans un calculateur quantique.

L’objectif d’Alexander Grimm est donc de concevoir un type de qubits qui se comporte de manière aussi stable que possible face aux perturbation. Ses candidats: les qubits qubits encodés dans des oscillateurs, appelés aussi qubits bosoniques. Ceux-ci sont composés par exemple d’un morceau extrêmement mince et fin de métal supraconducteur de quelques millimètres de long. «Dans ce genre de composant filiforme, nous pouvons exciter de manière ciblée des oscillations du champ électromagnétique, explique le physicien. Ces excitations se comportent selon la mécanique quantique et peuvent nous servir de supports d’information.»

Les oscillations sont comparables à celles d’un pendule, poursuit Alexander Grimm: «On peut d’abord faire dévier un pendule vers la gauche, puis le relâcher. Ou bien on peut d’abord le faire dévier vers la droite, puis le relâcher. Ces deux possibilités induisent deux oscillations qui se distinguent physiquement par ce qu’on appelle leur phase.» Mais si l’on voulait faire passer un tel pendule oscillant dans l’autre phase que celle dans laquelle il se trouve, il faudrait d’abord le retenir brièvement. Ce qui représenterait une perturbation considérable. Un tel événement, surtout s’il devait se produire spontanément, est extrêmement improbable, même dans l’univers quantique. «C’est donc le fait que nous exploitons la phase comme support d’information qui rend nos qubits aussi stables», note le physicien.

Avec les 2,5 millions d’euros qui lui ont été alloués dans le cadre de l’ERC Grant, Alexandre Grimm prévoit de démontrer de manière expérimentale l’utilité effective de ces qubits pour un calculateur quantique. «A ce jour, il n’existe qu’une preuve de concept dans ce domaine, dit-il. Autrement dit, nous savons qu’en principe, ce type de qubits fonctionne. Mais nous devons montrer à présent qu’ils peuvent aussi être mis à l’échelle et que nous pouvons les combiner de manière tout à fait pratique pour former un calculateur quantique.»

Texte: Institut Paul Scherrer