Dans certains jeux, vous gagnez ou perdez, mais dans un nouveau jeu développé pour les étudiants qui utilise les lois de la physique quantique, vous pouvez gagner à chaque fois. C’est ce qu’explique Spiros Michalakis, responsable de la sensibilisation à l’Institut pour l’information et la matière quantiques de Caltech, ou IQIM. Au cours des deux dernières années, Michalakis a aidé à développer divers jeux, événements et activités à travers le monde pour la toute première Journée mondiale du quantique, le 14 avril.
Dans le cadre de ces efforts, Michalakis et d’autres développent des leçons pour les collégiens et lycéens qui enseignent les principes de la science quantique. L’initiative, appelée QuanTime, est parrainée par la National Science Foundation (NSF) et le Bureau de la politique scientifique et technologique de la Maison Blanche, et comprend une foule de partenaires supplémentaires. Cinq nouvelles leçons en classe seront lancées dans le cadre de la Journée mondiale du quantique ; Caltech a aidé à développer deux d’entre eux avec ses partenaires Quantum Realm Games, Google et Western Illinois University.
L’une des leçons, intitulée Zeros and Ones, implique un jeu dans lequel des équipes d’élèves attribuent des 1 et des 0 à une grille basée sur un concept mathématique récréatif connu sous le nom de carré magique. Ce jeu particulier est conçu de manière à ce que les élèves aient environ 90% de chances de gagner, mais à mesure qu’ils continuent à jouer, leur probabilité de gagner à chaque tour diminue de façon exponentielle. Cependant, le jeu s’améliore lorsque les principes de la physique quantique sont invoqués, tels que la superposition et l’intrication. Par exemple, dans la phase quantique du jeu, les élèves peuvent placer un 0 ou un 1 dans un état de superposition, ce qui signifie que les carrés de la grille peuvent contenir à la fois 0 et 1 en même temps. En utilisant leurs “pouvoirs quantiques”, les étudiants peuvent désormais gagner le jeu à chaque fois.
“Nous apprenons à jouer au jeu, pas à apprendre en jouant”, déclare Michalakis, qui est l’ambassadeur des États-Unis pour la Journée mondiale du quantique. Michalakis explique que le but des leçons est de donner aux étudiants une idée des comportements surprenants des particules quantiques, ou subatomiques, qui sont à la base de nombreuses technologies futures, y compris les ordinateurs quantiques.
“Nous essayons d’attirer la future main-d’œuvre quantique”, déclare Michalakis. “Les ordinateurs quantiques étaient autrefois de la science-fiction, mais ils sont en cours de développement et impliquent non seulement la physique quantique, mais aussi les mathématiques, l’informatique, l’ingénierie, la chimie et d’autres domaines.” Le domaine dans son ensemble est appelé science et ingénierie de l’information quantique, ou QISE.
L’autre leçon, développée par Caltech et ses partenaires Quantum Realm Games et Google, concerne les échecs quantiques. Les échecs quantiques ont été conçus par le fondateur de Quantum Realm Games, Chris Cantwell, lors de réunions hebdomadaires avec Michalakis à Caltech à partir de 2014. Le jeu a été présenté dans une vidéo produite par IQIM en 2016 avec Stephen Hawking et Paul Rudd, et, plus tard, en 2019, Cantwell s’est associé avec Google pour exécuter le jeu sur le prototype d’ordinateur quantique de Google.
Les échecs quantiques ressemblent aux échecs classiques, mais comme la leçon Zeros and Ones, ils intègrent l’étrangeté quantique de la superposition et de l’enchevêtrement pour donner aux joueurs plus d’options. Par exemple, les joueurs peuvent décider de diviser leurs rois en un état de superposition, de sorte qu’une pièce de roi existe sur deux cases à la fois. Si un joueur essaie de capturer le roi superposé de son adversaire sur l’une des deux cases, il n’y a que 50% de chances que le roi soit réellement là.
“Nous voulions donner aux gens un moyen d’interagir avec la physique quantique en dehors d’un laboratoire, donc le jeu est construit sur une véritable simulation quantique”, explique Cantwell. “Cela permet aux joueurs d’expérimenter des choses comme l’enchevêtrement et l’interférence, pas seulement la probabilité. J’ai toujours pensé que des expériences éducatives significatives pouvaient être construites au-dessus des échecs quantiques. C’est cool de voir cela se produire !”
Les puzzles d’échecs quantiques pour les enfants les aident à “acquérir une intuition sur la physique quantique”, explique Ricardo Olenewa, qui dirige l’éducation quantique pour Google. “Les gens apprennent mieux en faisant les choses avec leurs mains. Nos puzzles leur permettent d’imaginer les règles quantiques de la nature dans une réalité physique.”
Les cinq nouvelles leçons QuanTime, qui ont été testées en novembre 2021 avec l’aide de 20 enseignants, sont disponibles sur le site Web officiel de QuanTime hébergé par le partenariat national pour l’éducation Q-12. Plus d’informations sur la Journée mondiale du quantique, y compris comment participer, sont en ligne sur le site Web de l’initiative.
“Le quantique sous-tend tout l’espace et le temps, donc vraiment tous jour, dans tout l’univers, devrait être consacré à la physique quantique “, déclare Michalakis.” Notre connaissance est maintenant à un endroit où nous pouvons vraiment exploiter la puissance du monde quantique pour transformer la société. “