Classe nano 2011-2012 (2/2)
La classe nano au lycée Emmanuel Mounier 2011-2012
Cryptographie - Compte Rendu élève
Un protocole de cryptographie quantique : Le protocole BB84
Vendredi 9 mars
Un professeur à GEA Grenoble nous a présenté un protocole de cryptographie quantique : le protocole BB84 (Bennett - Brassard, 1984).
La cryptologiesert à transmettre des informations confidentielles dans un canal public (internet, ondes hertziennes, satellites). Elle est utilisée dans la vie de tous les jours par exemple pour passer un appel téléphonique sur son mobile.
La cryptographie classique
Dans les années 1970 a été créé le codage RSA(Rivest, Shamir, Adelman). On peut désormais coder un message et sans que personne ne puisse le décoder. Il y a deux manières de coder un message : par une clé secrète ou par une clé publique.
Les systèmes de cryptographie à clé secrètesont très performants et économiques en calculs. Toutefois, ils nécessitent que les protagonistes partagent une clé secrète : par exemple une suite aléatoire de 0 et de 1. Cette clé sert pour le codage et aussi pour le décodage. Actuellement pour échanger les clés, des systèmes à clé publique sont souvent utilisés (RSA, Diffie-Hellman…). Mais, ils ont des inconvénients, on peut par exemple espionner un canal, intercepter des données sans que cela se sache (observation passive). L'échange de la clé secrète se fait par la clé publique dont la sécurité n'est pas démontrée.
On a trouvé des limites au cryptage classique. Actuellement, les protocoles à clé publiquesont basés sur des limitations calculatoires, la principale difficulté étant de factoriser un grand nombre PQ où P et Q sont de très grands nombres premiers. Pour factoriser des grands nombres, il faut des milliers d’années avec un ordinateur non quantique.
En utilisant l’algorithme quantique de Peter Shor et un ordinateur quantique (Figure 1), il faut moins de 10 secondes pour factoriser un nombre de 300 chiffres ! Les protocoles à clé publiquesont menacés par les possibles progrès des ordinateurs quantiques (qui ne sont pas encore performants).
Figure 1 : ordinateur quantique
Cryptographie quantique
En physique quantique, on ne peut obtenir des informations sans modifier ce qui est observé (par exemple pour détecter un photon) : ceci a donné des idées à certains cryptologues qui ont vu là un moyen de détecter la présence d’un « espion » lors d’un échange de clé entre 2 protagonistes.
Le protocole de cryptographie quantique BB84 est entièrement fondé sur les propriétés quantiques des photons polarisés. On sait que la lumière peut être vue comme une onde. La physique nous dit alors qu’elle peut être polarisée. La polarisation sert à coder l’information. Les photons utilisés pourront être polarisés de deux manières (selon un axe rectiligne ou selon un axe oblique), et envoyés dans une fibre optique. A la réception pour détecter un photon, on peut utiliser un filtre polarisant : le photon passe ou ne passe pas selon sa polarité et l’orientation du filtre.
Figure 2 : id quantique
Des entreprises commercialisent des systèmes cryptographiques. L'id quantique est le premier système commercial de distribution quantique de clés (Figure 2). Actuellement, ce type de système est très peu utilisé car très onéreux. Seules, des institutions financières (banques, bourses mondiales) par exemple envisagent de l'utiliser. En revanche, en cas de progrès informatiques ou mathématiques en factorisation, ce type de système deviendrait utile.
Conclusion
La cryptographie quantique est un domaine actif de recherches : les USA y consacrent 75 millions de dollars par an.Actuellement la cryptographie quantique n'est pas accessible au grand public : on ne peut pas l'utiliser sur une ligne ADSL classique, il faut de la fibre optique. Elle est déjà utilisée par des laboratoires : le recordde distance pour la transmission quantique des clés cryptographiques est de 67 kilomètres, entre Genève et Lausanne. Cependant, des faiblesses subsistent : la source de photons ou les détecteurs sont à améliorer.
Les systèmes asymétriques (Diffie-Hellman, El Gamal et RSA) actuels sont donc beaucoup plus utilisés et devraient le rester encore longtemps parce que la cryptographie quantique n'en est pour l'instant qu'à ses balbutiements.
Yacine et Zineb
Introduction à la physique quantique -
Compte Rendu élève
Mercredi 14 mars 2012
Mercredi 14 mars un professeur de l'école d'ingénieurs Grenoble INP - PHELMA est venu nous faire une introduction à la physique quantique.
Dans le monde tel que nous le connaissons, la force dominante est la force de gravitation. Elle aurait été découverte par Newton, en observant tomber une pomme. Il en a tiré des lois physiques qui régissent la physique macroscopique.
A l’échelle nanométrique (10-9mètres), les objets ont une masse très faible. Les forces électrostatiques supplantent la force de gravitation. Pour interpréter les phénomènes observés, il a fallu imaginer une nouvelle physique. A partir du XX° siècle des chercheurs (Bohr, Dirac, De Broglie, Heisenberg, Schrödinger…) ont donc imaginé une nouvelle théorie, la physique quantique.
Cette physique est déroutante car ce modèle permet des choses impossibles dans le monde macroscopique :
Nous avons regardé une vidéo présentant l’expérience de la double fente pendant laquelle des électrons (composants des atomes) sont envoyés sur un support, d’abord à travers une seule fente : on obtient sur le support une ligne d’électrons de la taille de la fente. On répète ensuite l’expérience mais en rajoutant une deuxième fente identique à la première. Alors qu’on pourrait s’attendre a avoir sur le support deux « lignes » d’électrons, on obtient en fait un modèle d’interférence caractéristique des ondes, ce qui montre que les électrons, bien qu’ayant une masse et une charge, peuvent se comporter comme des ondes.
Expérience des 2 fentes avec des billes Expérience des 2 fentes sur la cuve à ondes
Expérience des 2 fentes avec des électrons
Cette expérience remet en cause la vision que nous avions de l’électron, qui n’est donc plus une simple « boule de matière » mais plutôt une sorte de nuage à l’intérieur duquel on ne connait pas la position exacte de l’électron. Selon la physique quantique, lors de l’expérience de la double fente on admet que l’électron puisse passer à la fois par les deux fentes, par une des deux ou par aucune selon une certaine probabilité.
Pour finir, nous avons observé un autre phénomène tout aussi étonnant : lorsque les chercheurs ont voulu observer l’électron au moment de son passage dans les fentes, celui-ci se comportait à nouveau comme de la matière, passant alternativement dans une fente ou dans l’autre.
L'expérience de la double fente réalisée par le Professeur Quantum
Le lien de la vidéo :
http://www.dailymotion.com/video/xawlb1_dr-quantum-phenomene-d-interference_tech
Quentin et Caroline
Préparation au débat
Le thème du débat nous a été annoncé dès le début du mois de janvier :
« Nanotechnologies, jusqu’où peut-on changer l’homme ?
Pour le préparer nous avons bénéficié de 5 séances de 2h le 2 février et les 1er, 8, 15 et 22 mars. Notre professeur d’ECJS (Education Civique, Juridique et Sociale) nous a donné le plan des différentes séances :
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1ère séance : brainstorming dans le but de définir des sous-thèmes.et de constituer des groupes de travail. A la fin de la séance, nous avions constitué 8 groupes, chacun ayant un sujet de recherche délimité :
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Nanos dans le domaine du militaire, exosquelette
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Nanos dans le sport : dopage, performances, surhomme
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Nano médecine, nanorobots, nano chirurgie réparatrice
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Nature humaine et transformation du corps : limites, éthique, morale
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Implants, puces, contrôle de l’esprit
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Innovation, contrôle de la recherche, industrialisation
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Transhumanisme
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Nanoparticules et cosmétiques
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2ème et 3ème séances : au niveau de chaque sous-thème recherche d’arguments pour et contre, choix d’un personnage pour le jeu de rôles. Exemples de personnages : chercheur, militant « anti-nano », PDG d’une société de cosmétiques, militaire, chirurgien …
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4ème séance : choix du camp du pour ou du contre. Reformulation des arguments pour rendre crédible son personnage.
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5ème séance : entrainement à l’oral
Pendant les 3 premières séances, cinq étudiants de PHELMA (Grenoble INP) nous ont aidés en nous apportant des connaissances, des pistes de réflexion. Ils ont participé à l’élaboration de notre personnage et nous ont aidés à affiner nos arguments. Il était très stimulant de travailler avec eux.
A la 4èmeséance, un de nos camarades a été désigné pour être l’animateur du débat. Il a donc tourné dans les groupes pour connaître les différents personnages et les arguments de chacun. C’est lui qui avait la charge de démarrer le débat, de donner la parole aux uns et aux autres, et de relancer le débat si nécessaire.
Marie
Le débat
6 avril 2012
Un débat animé, sur le thème : « Nanotechnologies, jusqu'ou peut-on changer l'homme ?».
C'est dans une salle bien remplie (environ 90 personnes) que s'est tenu ce débat.
Outre les « officiels », Pierre Benech, directeur de Grenoble INP-Phelma, et le proviseur du Lycée, étaient également présents toute l'équipe enseignante de la classe «Nanosciences », des parents d'élèves et des membres du CA, des représentants du CCSTI (Centre Culturel Scientifique et Technique de l’Isère), ainsi que quelques autres professeurs et personnels du Lycée et de Phelma. Les cinq étudiants de Grenoble INP- Phelma qui avaient accompagné les TS1 lors de la préparation au débat, étaient également présents, ainsi que deux autres classes de terminale Scientifique et Littéraire.
La salle était décorée avec les oeuvres des TL qui s’étaient essayées au Nano art.
Lors de la préparation au débat, les lycéens avaient chacun choisi un rôle bien défini, l’objectif étant de mettre en présence différents acteurs de la société touchés par cette question des nanotechnologies et du corps humain. Militaire, chercheur, industriels et militant « anti-nano » étaient représentés sans oublier les transhumanistes et les philosophes ! Le général de l’armée plaidait pour qu’on puisse équiper ses soldats, blessés au combat, de prothèses dernier cri. La PDG d’une entreprise de cosmétiques vantait ses crèmes solaires pleines de nanoparticules et leur innocuité. Le médecin plaidait pour ces « nano médicaments » capables de cibler les cellules cancéreuses tandis que le militant « anti nano » demandait jusqu’où, dans le corps humain, pénétraient ces nanoparticules et quels dégâts elles pouvaient y commettre. Beaucoup d’élèves étaient déguisés pour renforcer la crédibilité de leur personnage. Certaines attitudes étaient volontairement provocatrices, comme cet entraineur sportif qui voulait faire amputer « son » champion pour lui installer une prothèse qui lui permettrait d’être encore plus fort…
Le débat était rondement mené par un lycéen qui arbitrait, donnait la parole à chacun et relançait le débat si nécessaire. Ainsi, chacun leur tour, les élèves ont tenté de faire valoir divers points de vue qu'ils soient favorables à l’utilisation des "Nanos", pour le respect du principe de précaution ou tout simplement contre le développement des nanotechnologies.
Le "jeu de rôle" a largement contribué au plaisir trouvé par tous, acteurs et spectateurs.
Dans un second temps la parole a été donnée à la salle. Les questions ont été nombreuses signe de l’intérêt que tous ont trouvé à cet exercice avec lequel ils ne sont pas familiers.
A la suite du débat, un pot a permis à chacun d'échanger ses impressions sur cette seconde édition de la classe nanosciences, sur la nécessité et la difficulté de "débattre" de questions scientifiques et sur la venue prochaine du parrain de la classe Nanosciences, Albert Fert, prix Nobel de physique 2007.
Quelques commentaires lors du pot de clôture :
- Une spectatrice : « Les élèves étaient très impliqués et motivés et après ce débat, je me pose beaucoup plus de questions et je me demande si je ne vais pas revoir ma position sur les « Nanos »… ».
- Une élève de la classe : « C’était très intéressant mais ça a passé trop vite et on n’a pas pu tous autant qu’on l’aurait voulu… »
La venue d'Albert Fert au Lycée
3 mai 2012
« Je serai le 3 mai à Grenoble pour rendre visite à la classe.»
Telle est l’annonce faite par Albert Fert dans son courrier du 26 mars 2012, annonce qui a immédiatement déclenché l’enthousiasme et la fierté des acteurs du projet et de toute la communauté du lycée Emmanuel Mounier.
Et le grand jour est arrivé. La salle 104 était comble. Outre les 32 TS de la classe Nanosciences, il y avait d’autres élèves de TS2 et de TL, des professeurs et personnels du lycée et de Grenoble INP-Phelma, en tout environ 70 personnes.
D’entrée de jeu, Albert Fert a su instaurer le dialogue et venir à bout de la réserve toute naturelle des uns et des autres devant ce chercheur reconnu.
Il a ensuite exposé en quoi consiste la magnétorésistance géante (GMR), découverte qui lui a valu le prix Nobel bien des années plus tard. Il a parlé de l’intérêt de cette découverte et des applications qui en découlent (têtes de lecture des disques durs, MRAM, …). Il a également évoqué le domaine sur lequel porte désormais ses travaux, l’électronique du spin.
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Puis les élèves de TS1 lui ont présenté les activités et recherches qu’ils avaient effectuées durant l’année scolaire dans le cadre du projet « classe nanosciences ». Ils lui ont raconté avec leurs mots les différents temps du projet : les cours scientifiques donnés au lycée par des enseignants du supérieur, des chercheurs, tous spécialistes d’un domaine touchant aux nanotechnologies, la journée de travaux pratiques au Cime Nanotech (dans le cadre de Nano@school), la soirée à la Maison de la Culture (MC2). Ils ont aussi reparlé du débat citoyen qu’ils avaient animé le 6 avril, sur le thème : « Nanotechnologies, jusqu’où peut-on changer l’homme ? ».
Une discussion à bâton rompu alors engagée entre le prix Nobel et les lycéens curieux. De nombreuses questions ont fusé des plus classiques sur le prix Nobel, sur le monde de la recherche et comment on devient chercheur, sur les brevets et l’éventuelle tension entre équipes concurrentes à d’autres plus terre à terre : « Un prix Nobel prend-il une retraite ? » « A qui vont les royalties ? ».
Albert Fert a raconté comment à leur âge, il a hésité entre une carrière artistique (metteur en scène) et une carrière scientifique. Il a insisté sur le côté créatif de la recherche, sur la nécessité et le plaisir de travailler en équipe.
Il a questionné les lycéens sur ce que le projet « classe Nanoscience » leur a apporté en termes de découverte et d’ouverture, sur leur désir de poursuite d’étude.
Les élèves de TL option arts plastiques du lycée, présentes, ont offert à Albert Fert une reproduction des oeuvres qu'elles ont réalisées au cours de l'année sur le thème des nanosciences. Elles ont fait vibrer la fibre artistique du prix Nobel qui s'est intéressé à leur démarche de création, aux matériaux utilisés pour représenter le nanomonde et à la mise en exergue de leur exposition.
Cette matinée restera un moment inoubliable pour toutes les personnes présentes. L'échange a été émouvant entre ces jeunes curieux et fascinés et ce grand monsieur qui acceptait de partager avec eux ce qui le fait avancer, vibrer, ce qui lui a permis d'obtenir ce prix Nobel. Albert Fert s'est montré ravi de cet échange et impressionné par l’implication, le niveau scientifique et la qualité d'écoute des élèves présents