Compl�ments du livre
"Pour un principe mat�rialiste fort"

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Chaque modification physique impliquant l'univers est aussi une op�ration informatique

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Pour comprendre la fa�on dont est n� et �volue notre univers, Seth Lloyd nous invite � porter un double regard sur chacun des changements d'�tat qui peut affecter la plus �l�mentaire des parties composant cet univers. Ces changements d'�tat doivent �tre vus � la fois comme des actions physiques et comme des op�rations informatiques. Il n'y a l� en fait que du tr�s banal. Prenons un exemple. Si un rayon ionisant (par exemple un rayon cosmique) modifie l'�tat d'excitation (ou d'�nergie �lectrique) d'un atome dans une mol�cule chimique ou biologique, ce rayon entra�ne, fut-ce d'une fa�on non perceptible par nous, une modification de la fa�on dont l'atome contribue aux propri�t�s de cette mol�cule et � son r�le fonctionnel. Nous sommes donc l� en pr�sence d'un effet physique. Mais il s'agit aussi d'un effet informatique dans la mesure o� l'atome est engag� de fait, par interaction avec ses voisins, dans un ou plusieurs des circuits logiques qui sont � la base du calcul informatique bool�en�:ET, OU, NON, COPIE, etc. En effet, modifier l'�tat de l'atome a pour effet de changer sa valeur informatique, autrement dit de r�aliser une op�ration �l�mentaire de calcul. Dans la num�ration binaire, on dira que la valeur informatique de l'atome passera de 0 � 1 ou de 1 � 0 (avec possibilit� d'adopter toutes les valeurs interm�diaires entre 0 et 1 si on estime devoir se situer au plan d'une op�ration analogique et non digitale). Ce changement de valeur informatique aura lui-m�me un r�sultat physique oblig�. Ainsi, au cas o� l'atome �tait li� � un voisin dans une porte logique ET, utilis�e pour obtenir un niveau de sortie 1 si tout les niveaux d'entr�e sont � 1, son changement d'�tat transforme la sortie 1 en sortie 0, ce qui peut modifier non seulement l'�tat physique imm�diat de la mol�cule mais la fa�on dont celle-ci, consid�r�e � son tour comme un �l�ment de calcul dans un r�seau plus vaste, interagit avec le reste de son environnement physique et biologique. On obtiendrait exactement le m�me r�sultat si le rayon ionisant tombait sur une des m�moires d’un ordinateur. Non seulement l'�tat physique de cette m�moire serait modifi� (avec possibilit� de destruction incapacitante) mais le programme faisant appel � cette m�moire, ainsi modifi�e, serait lui-m�me modifi�: soit rendu plus efficace (avec beaucoup de chance) soit plut�t affect� d'un bug entra�nant des effets parasites ou m�me bloquants.

Seth Lloyd nous propose alors de r�fl�chir au concept d'entropie. Le changement d'�tat physique et informationnel d'une unit� quelconque de l'univers entra�ne des effets tr�s importants au regard de "l'entropie �nerg�tique et informationnelle" de ce dernier. De m�me qu'il rapproche l'�tat physique d'un �l�ment de l'univers avec son �tat informationnel, Seth Lloyd rapproche l'�tat d'entropie �nerg�tique de cet �l�ment avec son �tat d'entropie informationnelle. L'�nergie de l'univers, mesur�e par son niveau d'entropie 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 n�cessaire pour analyser les mouvements au hasard des atomes et des mol�cules de l'univers. Comme ces mouvements sont trop petits pour �tre identifi�s 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 � l'�tat de d�tail de ce syst�me (ignorance qui n'�tait pas celle, on s'en souvient de l'imaginaire d�mon de Maxwell, qui savait tout sur l'�tat de toutes les mol�cules d'un gaz enferm� dans une enceinte). La 2e loi de la thermodynamique (une autre des lois de la physique que Seth Lloyd consid�re comme universelle) pr�cise que l'entropie �nerg�tique ne diminue jamais. Autrement dit, l'�nergie inutilisable s'accro�t sans cesse aux d�pens de l'�nergie utilisable. Il en est de m�me de l'information. L'essentiel de l'information int�ressant un syst�me physique (par exemple les positions relatives de chacun de ses atomes) nous est inconnu. Nous n'avons que des informations statistiques ou de probabilit� � leur sujet. Nous pouvons pr�ciser ces informations - sous r�serve des limites impos�es par la physique quantique et tenant au principe d'incertitude. Mais ceci exige alors une recherche d'information introduisant plus de d�sordre informationnel dans le syst�me global que nous n'obtenons d'ordre permettant d'am�liorer la pr�cision de notre description.

Pour Seth Lloyd, l’univers entier se comporte comme un ordinateur quantique universel. Il ne s'agit pas sous sa plume d'une image mais d'une r�alit�. Autrement dit, l'univers n'a pu appara�tre et se d�velopper qu'en se servant � lui-m�me d'ordinateur quantique. De la m�me fa�on, notre organisme ne peut cro�tre et se prot�ger des agressions qu'en utilisant ses propres capacit�s computationnelles. Evidemment, comme la th�orie de l'information prescrit que n'importe quel ordinateur peut simuler n'importe quel autre, il est int�ressant pour nous que l'univers soit fondamentalement un ordinateur quantique. Nous pourrons ainsi le simuler quand nous aurons r�alis� un de ces instruments. Mais le point essentiel est que, dans le sc�nario propos� par Seth Lloyd, si l'univers n'avait pas �t� un ordinateur quantique, il n'aurait pas pu acqu�rir dans les 14 milliards d'ann�es de sa vie suppos�e, la complexit� que nous lui connaissons aujourd'hui. En effet, les toutes premi�res informations re�ues par l'univers � sa naissance, si elles avaient �t� trait�es de fa�on lin�aire par un ordinateur s�quentiel, n'auraient pas permis d'explorer en temps utiles les multiples branches d'opportunit� n�cessaires � ce que soient d�gag�es les solutions les plus viables � la survie de l'univers sous la forme que nous lui connaissons aujourd'hui, depuis la cr�ation des galaxies jusqu'� celle de la vie et de l'intelligence sur notre Terre. L'univers se serait d�velopp� de fa�on lin�aire, sans doute tr�s monotone. Il aurait ressembl� � un lac sans vent.

Au contraire, la multiplication des calculs en superposition a permis d'explorer toutes les possibilit�s d'�volution en parall�le. Certes, toutes les hypoth�ses n'ont pas �t� mat�rialis�es. Seules certaines ont �t� retenues. Mais par qui et de quelle fa�on�? Selon Seth Lloyd, elles l'ont �t� par l'interaction entre les bits quantiques et les bits mat�riels r�sultant des premi�res op�rations logiques de type ET, OU, NON, COPIE r�alis�es initialement. Cette interaction �mat�rialisante� r�sulte du ph�nom�ne d�sormais admis par les physiciens quantiques, dit de la d�coh�rence. En termes plus classiques, on parle de la r�duction de la fonction d'onde d'un syst�me quantique suite � la mesure r�alis�e par un observateur macroscopique.

Seth Lloyd nous invite � prendre comme exemple une des toutes premi�res op�rations r�alis�es par l'univers d�s sa naissance (soit approximativement 10-44 secondes en temps de Planck). Il s'agit de la fa�on dont des instabilit�s dans la r�partition de l'�nergie initiale sont apparues � la suite des fluctuations quantiques des niveaux d'�nergies. Si l'on consid�re ces fluctuations comme des op�rations informatiques, explorer leurs cons�quences aurait pris beaucoup trop de temps � un ordinateur digital, au rythme impos� par l'inflation. L'univers serait rest� homog�ne. Leur exploration en parall�le par un ordinateur quantique a permis de faire appara�tre de nombreux types de r�partition de la densit� �nerg�tique. Un multivers aux innombrables branches a �t� esquiss�. Mais le propre de l'ordinateur quantique est de d�coh�rer des que l'on veut conna�tre le r�sultat de ses calculs. En l'esp�ce, comme il n'y avait pas � l'�poque d'observateur macroscopique capable d'interagir avec les calculs de l'ordinateur quantique universel, c'est un simple hasard qui a entra�n� le choix d'un embranchement parmi les multiples histoires virtuellement possibles. C'est ce hasard qui a produit les in�galit�s dans la densit� de mati�re �nergie du cosmos initial, d�tect�es par la sonde Wilkinson.

De proche en proche, ces premiers choix ont entra�n� des d�coh�rences en cha�nes portant sur les innombrables calculs quantiques que continuait � faire l'ordinateur quantique universel. L'univers tel que nous le connaissons en a r�sult�. Chaque fois qu'un q.bit de l'ordinateur quantique universel proposait un grand nombre, sinon une infinit� de choix, l'interaction avec la mati�re d�j� cr��e obligeait l'univers � choisir une solution et une seule. Mais ceci ne veut pas dire que l' ��histoire�� ainsi �crite �tait oblig�e de redevenir lin�aire. Les fluctuations propres � la physique quantique introduisaient en permanence des �l�ments g�n�rateurs de diversit�, dont certaines mutations g�n�tiques donnent un exemple en biologie.

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