« La plus grande idée fausse dans mon domaine général est que la physique est difficile et dominée par un panthéon de génies exclusivement masculins et blancs », déclare le Dr Joshua Heath.
Le Dr Joshua Heath est chercheur Research Ireland Pathway à l'Université de Maynooth, où ses recherches portent sur les supraconducteurs fortement corrélés, la complexité de la simulation quantique et le développement de matériel optimal pour les dispositifs quantiques de nouvelle génération.
Heath a terminé son doctorat en physique au Boston College avant de passer à son premier poste postdoctoral au Dartmouth College pour rechercher les lois d'échelle universelles sur la supraconductivité électron-phonon.
Par la suite, il a occupé des postes conjoints à l'Université du Connecticut et à l'Institut nordique de physique théorique en Suède, poursuivant ses travaux sur la supraconductivité, en se concentrant sur le rôle des défauts de système à deux niveaux (TLS) dans le matériel informatique quantique supraconducteur.
Qu’est-ce qui vous a poussé à devenir chercheur ?
Je pense que la frontière entre chercheur et non-chercheur est mince. Je pense que tous les humains, jeunes et vieux, ont un désir inné de découvrir le monde qui les entoure.
Pour moi, choisir de mieux comprendre la physique en occupant un poste formel de recherche n’est pas quelque chose qui me distingue de quelqu’un qui exerce une autre profession.
Un chercheur choisit la solution de facilité : plutôt que de jongler entre une profession et le désir naturel de l'être humain de connaître le monde qui l'entoure, une personne qui consacre sa profession à la recherche scientifique peut se livrer à ce besoin humain plus élevé sans craindre de négliger les exigences nécessaires pour un salaire décent.
En termes de physique par rapport à d’autres sciences, j’ai choisi la physique en raison de son universalité. Je peux comprendre (ou du moins essayer de comprendre) certains systèmes biologiques génériques avec des principes physiques fondamentaux, mais je ne peux pas utiliser des processus biologiques fondamentaux pour comprendre un système physique général.
Il existe une indécision dans la recherche en physique – une capacité à toujours prendre un détour par rapport à votre orientation de carrière préférée et à commencer quelque chose de nouveau sans réapprendre toute une boîte à outils. En choisissant une carrière en physique, je me donne la liberté d'explorer un large éventail de problèmes.
Pouvez-vous nous parler des recherches sur lesquelles vous travaillez actuellement ?
Mon travail se situe à l’intersection de deux domaines principaux de la physique : la physique de la matière condensée et l’information quantique.
La physique de la matière condensée se concentre sur les propriétés de la matière en phases solide et fluide. Ce qui est intéressant dans la physique de la matière condensée, c'est que les matériaux que nous utilisons dans notre vie quotidienne (comme les transistors de nos téléphones) sont décrits par des principes physiques très complexes.
Les physiciens de la matière condensée étudient de nombreux types de matière, mais l’essentiel de mon propre travail tourne autour d’une classe de matériaux appelés « supraconducteurs ».
Lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une température critique, la résistance électrique des supraconducteurs tombe à zéro et tous les champs magnétiques existants à l'intérieur du matériau sont expulsés. Cela fait de la supraconductivité un phénomène très intéressant à étudier, et nous essayons encore de le comprendre pleinement.
En plus de la physique de la matière condensée, je travaille également en théorie de l'information quantique. L’un des objectifs centraux de l’information quantique est de construire un ordinateur quantique – un dispositif qui utilise des phénomènes mécaniques intrinsèquement quantiques pour traiter les informations et effectuer des calculs difficiles.
Mes principales recherches à Maynooth portent sur la manière dont des matériaux intéressants peuvent être utilisés pour fabriquer des ordinateurs quantiques et sur la manière dont les limites des ordinateurs classiques (et donc la puissance de l'informatique quantique) peuvent être comprises à travers le prisme de matériaux tout aussi intéressants.
Par exemple, les circuits quantiques supraconducteurs, dans lesquels un composant fondamental de l’ordinateur est composé d’éléments supraconducteurs, sont un candidat prometteur pour le matériel informatique quantique. Les questions de simulabilité quantique m’intéressent de manière similaire et connexe : quels systèmes sont intrinsèquement difficiles à simuler sur un ordinateur classique, et si cette « dureté » peut être liée aux notions sous-jacentes de « quantique » dans le système à N corps.
À l'heure actuelle, mon équipe (ou plutôt mon équipe entrante) est plutôt petite : je devrais accueillir un étudiant à la maîtrise et un doctorant au début de l'automne, et je travaillerai avec quelques étudiants de premier cycle à partir de cet été. Mon objectif est que chaque membre de mon groupe ait une orientation particulière, afin qu'il puisse devenir expert dans ses problèmes spécifiques.
Selon vous, pourquoi vos recherches sont-elles importantes ?
Je pense que c'est une question subtile. Important signifie différentes choses pour différentes personnes, et mon travail ne changera pas la vie quotidienne de nombreuses personnes.
En termes d’influence au-delà de ma communauté immédiate, la chose la plus importante que mes recherches pourraient faire serait de propager l’intérêt pour les phases à plusieurs électrons de la matière.
En fin de compte, mon travail consiste à inspirer la prochaine génération de scientifiques à voir un simple morceau de métal ennuyeux et à ressentir le désir de comprendre cette mer sans fin.
Pour les communautés de la matière condensée et de l’information quantique en particulier, je pense que mes recherches sont importantes car elles jettent un pont entre ces deux sous-domaines. De cette façon, j'espère que mon groupe pourra être le fer de lance d'une compréhension plus interconnectée et holistique des phénomènes quantiques.
Quelles applications commerciales envisagez-vous pour vos recherches ?
En termes d’applications commerciales, je préfère penser aux applications qui amélioreront l’humanité plutôt qu’à celles qui rapporteront du profit. En ce qui concerne ces applications, je peux penser à deux d’entre elles que je trouve très intéressantes : de meilleurs produits pharmaceutiques et la production d’ammoniac propre.
La découverte de médicaments nécessite des simulations très précises des interactions moléculaires et des réactions chimiques, et on espère dans ce domaine que les ordinateurs quantiques seront capables de simuler le comportement électronique complexe qui caractérise ces molécules.
Néanmoins, pour l’une ou l’autre des applications indiquées ci-dessus, nous avons besoin d’états quantiques de très haute qualité pour effectuer ces calculs coûteux, et la préparation de ces états de haute qualité est en soi une tâche lourde en ressources.
Je pense qu’une meilleure façon de résoudre ces problèmes à court terme est de comprendre les propriétés fondamentales qui rendent un système à plusieurs électrons (comme les grandes biomolécules) « difficile » à simuler sur un ordinateur classique, puis soit de les éviter en utilisant du matériel classique, soit d’exploiter d’une manière ou d’une autre cette « dureté » comme ressource.
Quels sont les plus grands défis auxquels vous êtes confronté en tant que chercheur dans votre domaine ?
Je pense qu'il y a deux défis principaux. Sur le plan technique, je dirais que la puissance de calcul est un gros revers. Nous devons souvent nous tourner vers la numérique pour effectuer des calculs à N corps, et nous avons donc souvent besoin de superordinateurs (classiques) pour nous aider.
Malheureusement, ces supercalculateurs sont très demandés, nous devons donc demander du temps de calcul, ce qui entraîne parfois des retards dans l'obtention des résultats.
Le deuxième défi majeur serait la montée en puissance de l’IA parmi la population étudiante. Il a toujours existé des solutions en ligne pour de nombreux problèmes au niveau collégial, mais il existe désormais un problème sérieux avec les étudiants qui utilisent l’IA pour résoudre complètement un problème difficile en appuyant simplement sur un bouton.
J'ai vu des étudiants demander à l'IA d'écrire tout le code ou de réaliser l'intégralité du projet que je leur ai confié, et si cela continue, je pense qu'une génération entière d'étudiants commencera à perdre leur intuition physique.
Existe-t-il des idées fausses courantes sur ce domaine de recherche ?
Il existe de nombreuses idées fausses sur la physique et l’informatique quantique en général. En informatique quantique, je pense que la pire idée fausse est que « les ordinateurs quantiques vont changer le monde ».
Il n’existe actuellement aucun exemple largement accepté et concluant dans lequel un ordinateur quantique a surpassé un ordinateur classique. En revanche, dans le domaine de la physique de la matière condensée, je pense qu’il devrait y avoir davantage d’idées fausses.
Les idées fausses courantes sont le signe que le grand public réfléchit à des problèmes difficiles et s’intéresse au monde qui l’entoure. Nous avons besoin de théories plus farfelues sur les semi-conducteurs.
Enfin, je dirais que la plus grande idée fausse dans mon domaine général est que la physique est difficile et dominée par un panthéon de génies entièrement blancs.
Maintenir cette croyance ne servira qu’à maintenir un « pipeline qui fuit » de jeunes (en particulier de jeunes femmes et de membres de la communauté LGBTQIA+) pour chercher ailleurs leurs objectifs de carrière. La physique est une question d'universalité : la boîte à outils de la physique peut décrire l'univers, et n'importe qui dans l'univers peut se procurer un outil.
Quels sont les domaines de recherche que vous aimeriez voir abordés dans les années à venir ?
Il est toujours difficile de faire des prévisions. Ce sont souvent les idées les plus obscures de la physique qui ont l’impact le plus durable, et savoir quels sont les meilleurs problèmes peut s’avérer non trivial.
Une chose que j’aimerais voir, c’est une approche plus réaliste de l’informatique quantique. Le physicien John Preskill a déclaré que nous sommes dans l’ère NISQ – l’ère des dispositifs quantiques bruyants à échelle intermédiaire (NISQ). Je pense que nous allons rester coincés dans l'ère NISQ pendant un certain temps, et au lieu d'essayer d'œuvrer vers l'ère des ordinateurs quantiques tolérants aux pannes, nous devrions plutôt tirer le meilleur parti de notre temps avec ce dont nous disposons, par exemple en incorporant la technologie de l'ère NISQ dans les pipelines biomédicaux actuels.
