Un engagement total dans le sport et la science

Quand Bettina Heim fait quelque chose, elle s'y investit pleinement. Il y a quelques années encore, elle s'investissait dans le patinage artistique. Elle est devenue championne suisse, a participé aux championnats du monde et a suivi avec succès une formation d'entra?neur. Il y a un peu plus de trois ans, elle a raccroché ses patins et étudie depuis la physique à l'ETH Zurich - et là aussi avec un engagement total : pour un travail de semestre dans le cadre de ses études de bachelor, un travail généralement gérable qui prend trois semaines, elle s'est tellement investie qu'elle a maintenant pu publier ses résultats dans la célèbre revue spécialisée Science.

Certes, Bettina Heim rend hommage dans l'entretien à l'équipe de Matthias Troyer, professeur de physique computationnelle, au sein de laquelle elle a mené ses travaux. Ses collègues l'ont soutenue de manière remarquable et ont contribué de manière essentielle au travail, dit-elle. Il n'en reste pas moins qu'il est exceptionnel pour une scientifique de pouvoir publier la toute première publication spécialisée de sa carrière à un endroit aussi prestigieux, qui plus est à l'?ge de 26 ans et pendant ses études de bachelor. "J'ai d? publier plus de 30 travaux avant d'en voir un accepté par une revue d'une telle renommée. J'avais 34 ans à l'époque", explique le professeur Troyer de l'ETH, qui a encadré cette étudiante talentueuse.

L'ordinateur quantique n'est pas plus rapide

Bettina Heim a trouvé dans son travail une explication au fait que D-Wave, une nouvelle machine à calculer très discutée qui utilise des effets de la physique quantique, ne résout pas certains problèmes de calcul plus rapidement qu'un ordinateur classique.

Sur la base de simulations, de nombreux experts s'attendaient à ce que certains problèmes d'optimisation mathématique puissent être résolus plus rapidement sur des ordinateurs quantiques comme D-Wave. Les scientifiques parlent de "quantum speedup" pour désigner cette accélération due aux effets quantiques. Parmi les problèmes mathématiques qui en profiteraient, on trouve la planification d'un itinéraire de vol ou l'optimisation d'un portefeuille de titres. C'est sans doute surtout en raison de ces prédictions prometteuses que l'entreprise canadienne D-Wave a construit il y a trois ans un tel optimiseur dit quantique.

Les calculs de simulation ont des limites

Toutefois, l'appareil ne s'est pas révélé plus rapide - et même nettement plus lent pour certaines t?ches - qu'un ordinateur classique, comme l'a montré Matthias Troyer l'année dernière. Le professeur de l'ETH a ainsi certes gagné un pari avec un blogueur scientifique pour un gallon de sirop d'érable canadien, mais une prétendue contradiction entre la simulation et l'expérience (l'appareil) s'est également ouverte. Heim a examiné de plus près les calculs de simulation et a pu résoudre la prétendue contradiction : Les simulations avec lesquelles les effets quantiques ont été reproduits sur des ordinateurs traditionnels ont leurs limites, conclut-elle.

"On peut se représenter la simulation comme un système de particules situées dans un paysage avec des montagnes et des vallées", explique Heim. " Le problème d'optimisation à résoudre est de trouver le point le plus bas de ce paysage, les particules pouvant soit franchir les montagnes, soit - si l'on admet les effets quantiques - passer sous celles-ci."Les chemins parcourus par les particules sont décrits de manière simplifiée dans la simulation comme un chemin en zigzag, défini par un nombre limité de points de repère.

"L'informatique d'inspiration quantique"

Il s'est avéré que les effets quantiques n'aidaient à résoudre très rapidement le problème d'optimisation que si la simulation était très grossière, c'est-à-dire si elle était effectuée à Heim avec un petit nombre de repères. Lorsque les repères étaient très nombreux et très serrés, c'est-à-dire lorsque la simulation était très proche de la réalité, il n'y avait plus de "quantum speedup". "Les simulations grossières, telles que les scientifiques les ont réalisées ces dernières années, ne reflètent donc pas la réalité dans de véritables dispositifs d'optimisation quantique comme D-Wave", conclut Troyer.

Néanmoins, ces simulations quantiques approximatives permettent de résoudre très rapidement certains problèmes d'optimisation, et ce sur des ordinateurs classiques, sans avoir besoin de recourir à des appareils de physique quantique. Ces simulations quantiques sont donc importantes en soi. Si l'on résout des problèmes de calcul avec elles, on ne parlerait toutefois pas d'informatique quantique, mais d'informatique d'inspiration quantique, explique Troyer. "La question de savoir si les problèmes d'optimisation peuvent être résolus plus efficacement sur des optimiseurs quantiques ou avec un calcul d'inspiration quantique sur des ordinateurs traditionnels est actuellement totalement ouverte. Je prédis une compétition intéressante entre ces deux approches dans les années à venir".

L'accélération quantique est théoriquement possible

Même si les scientifiques n'ont pas vu de "quantum speedup" dans la génération actuelle d'ordinateurs quantiques, cela ne signifie pas pour autant que cela soit impossible par principe. Il serait tout à fait possible qu'une accélération quantique se produise dans un futur optimiseur quantique de conception différente, par exemple dans un appareil où les particules quantiques interagissent non seulement avec les particules de l'environnement proche, mais aussi sur de plus grandes distances. "Il serait intéressant de tester le potentiel de nouvelles architectures informatiques dans une simulation avant une construction", explique Troyer. La simulation de Bettina Heim peut précisément faire cela.

L'étudiante de l'ETH est fière d'y avoir apporté sa contribution. "Je m'intéressais déjà depuis longtemps aux mathématiques et à la physique", explique Heim, qui a obtenu sa maturité avec l'excellente moyenne de 5,7, soit la meilleure note de sa promotion. Même lorsqu'elle était sportive de haut niveau, il était clair pour elle qu'elle souhaitait étudier l'une de ces deux matières à l'avenir. "Actuellement, mes intérêts se situent clairement dans la physique théorique". Le travail dans le groupe de Troyer se situe à l'intersection de la physique théorique et de l'informatique. Elle apprécie de pouvoir traiter dans ce groupe des questions théoriques qui ont néanmoins un lien fort avec la réalité et qu'elle peut tester directement dans des simulations.

L'attitude de base aide dans les études

Y a-t-il des liens entre le sport de haut niveau et le monde académique ? Les deux mondes sont déjà différents, dit Heim. Mais elle profite dans ses études de compétences qui étaient également importantes dans le sport de haut niveau. Elle peut ainsi se concentrer sur le moment présent. Pendant ses études de bachelor, Heim travaillait encore à temps partiel comme entra?neuse de patinage artistique. Il était alors important de se concentrer sur le sport pendant le sport et sur les études pendant les études.

Son attitude fondamentale, qu'elle avait déjà dans le sport de haut niveau, lui est également utile. "Je suis responsable de ce que je fais. Et si je veux réaliser quelque chose, il n'y a pas d'autre raison que moi-même pour ne pas le faire", résume-t-elle.

Heim travaille également dans le groupe du professeur Troyer de l'ETH pendant ses études de master. Et elle aimerait un jour faire un doctorat en physique théorique ou en informatique. Il est donc bien possible que d'autres travaux de recherche de haut niveau soient publiés sous sa plume dans les années à venir.