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Comment une expérience sur table pourrait tester le fondement de la réalité
Diagramme au-dessus de l'image du nuage Photo d'origine : Unsplash
Voici une curieuse expérience de pensée. Imaginez un nuage de particules quantiques intriquées, c'est-à-dire qu'elles partagent la même existence quantique. Le comportement de ces particules est chaotique. Le but de cette expérience est d'envoyer un message quantique à travers cet ensemble de particules. Le message doit donc être envoyé d'un côté du nuage, puis extrait de l'autre.
La première étape consiste donc à diviser le nuage au milieu afin que les particules de gauche puissent être contrôlées séparément de celles de droite. L'étape suivante consiste à injecter le message dans la partie gauche du nuage, où le comportement chaotique des particules le brouille rapidement.
Un tel message peut-il jamais être déchiffré ?
Dans un nouvel article, Adam Brown de Google en Californie et un certain nombre de collègues, dont Leonard Susskind de l'Université de Stanford, le père de la théorie des cordes, expliquent exactement comment un tel message peut réapparaître de manière surprenante.
La surprise est ce qui se passe ensuite, disent-ils. Après une période au cours de laquelle le message semble complètement brouillé, il se déchiffre brusquement et se recolle à un point éloigné de l'endroit où il a été inséré à l'origine. Le signal s'est recentré de manière inattendue, sans qu'il soit du tout évident de savoir ce qui faisait office de lentille, disent-ils.
Mais la chose vraiment extraordinaire qu'ils soulignent est qu'une telle expérience éclaire l'un des mystères les plus profonds de l'univers : la nature quantique de la gravité et de l'espace-temps.
D'abord quelques explications de fond. La clé pour comprendre cette expérience de pensée réside dans la nature des phénomènes émergents. Brown et co disent que les systèmes quantiques peuvent afficher des phénomènes émergents de la même manière que les systèmes ordinaires.
Par exemple, lorsque deux personnes se parlent, le phénomène est difficile à comprendre du point de vue de la modélisation de chaque molécule individuelle dans l'air. La pièce dans laquelle ils parlent pourrait contenir un milliard de milliards de milliards de molécules, chacune entrant en collision avec une autre tous les dixièmes de nanoseconde.
La conversation continue malgré tout. La communication est possible malgré le chaos parce que le système possède néanmoins des modes collectifs émergents - des ondes sonores - qui se comportent de manière ordonnée, écrivent Brown et ses collègues.
Un phénomène similaire opère au niveau quantique. Et c'est ce phénomène émergent, affirment Brown et ses collègues, qui recentre le message quantique dans l'exemple précédent.
Lorsque les effets quantiques sont importants, des modèles complexes d'intrication peuvent donner lieu à des types qualitativement nouveaux de phénomènes collectifs émergents, écrivent-ils. Un exemple extrême de ce type d'émergence est précisément la génération holographique de l'espace-temps et de la gravité à partir de l'intrication, de la complexité et du chaos.
C'est pourquoi cette expérience de pensée suscite tant d'intérêt. Cela permet aux physiciens de réfléchir à un exemple simple de phénomène quantique émergent et à la manière dont ils pourraient en créer et en tester un en laboratoire.
Alors, comment pourraient-ils s'y prendre pour une telle expérience ? Brown et co disent qu'il y a plusieurs façons de l'aborder. La première étape consiste à créer un ensemble d'états quantiques intriqués qui peuvent ensuite être séparés en deux ensembles à traiter séparément.
Une façon de procéder consiste à créer une collection de paires intriquées appelées paires de Bell. Brown et co notent que ces paires ont déjà été créées en utilisant des atomes de rubidium et avec des ions piégés.
L'étape suivante consiste à insérer des informations quantiques dans la moitié de ces états quantiques. La dernière étape consiste à contrôler l'évolution quantique de l'autre moitié des états quantiques de manière à permettre au message de réapparaître.
Cependant, des expériences ont déjà été réalisées qui réalisent un tel brouillage quantique, dans lequel les informations sont réparties dans un système quantique et récupérées par la suite. Notamment, un groupe de l'Université du Maryland, College Park, ainsi que des collaborateurs de l'Université de Californie, Berkeley, et du Perimeter Institute of Theoretical Physics à Waterloo, Ontario, ont publié un article dans Nature en mars 2019 décrivant leurs efforts réussis pour y parvenir.
Ils ont utilisé un ordinateur quantique composé d'une chaîne de neuf ions ytterbium qui sont refroidis par des lasers tout en étant maintenus dans un piège radiofréquence. Les chercheurs de l'UMD ont mis en place un circuit à sept qubits au milieu des sept des neuf ions. Le premier qubit a été brouillé en trois paires de qubits, répartissant les informations qu'il contenait en six qubits au total (dont l'un était le qubit d'origine). Ils ont ensuite mesuré le septième qubit, qui avait été associé au sixième qubit. Avec une fidélité d'environ 80 %, le septième qubit s'est avéré être dans un état quantique impossible à distinguer du premier qubit d'origine.
L'interprétation de ce résultat n'est pas simple, mais le groupe a réalisé plusieurs expériences de contrôle qui, pour des raisons techniques trop subtiles pour être expliquées ici, ont confirmé leur affirmation selon laquelle les informations initialement codées uniquement dans le premier qubit étaient véritablement délocalisées dans l'ensemble du système.
La téléportation induite par le brouillage observée dans notre expérience peut être réinterprétée comme simulant la propagation d'informations à travers un trou de ver traversable qui relie une paire de trous noirs, note l'article de Nature.
De telles expériences suggèrent un certain nombre de possibilités intéressantes. La possibilité de jouer avec des analogues d'une forme émergente d'espace-temps permet de tester certaines idées sur la gravité quantique.
Brown et co sont clairement excités. Ils écrivent : La technologie pour le contrôle des systèmes quantiques complexes à plusieurs corps progresse rapidement, et nous semblons être à l'aube d'une nouvelle ère en physique : l'étude de la gravité quantique en laboratoire.
Réf : arxiv.org/abs/1911.06314 : Gravité quantique en laboratoire : téléportation par taille et trous de ver traversables.
Correction : 14 janvier 2020
Cette histoire disait à l'origine : L'essentiel est que ce type d'expérience dépasse l'état de l'art quantique actuel. Mais cela pourrait être possible dans les prochaines années, étant donné la vitesse à laquelle les physiciens développent leurs compétences quantiques. Cette déclaration était incorrecte. Le texte a été modifié pour refléter une expérience d'ions piégés rapporté dans le numéro du 6 mars 2019 de Nature qui accomplit exactement le type de brouillage, de téléportation et de décodage dont il était question.
Cette histoire a été modifiée à partir de la version originale pour refléter le fait que bien que l'article de Brown et al. publié le 14 novembre 2019, est certainement stimulant, ce n'est pas le premier article à suggérer que les expériences d'informatique quantique sur table peuvent être un moyen utile et intéressant de mieux comprendre la gravité quantique.
Cette histoire a également été modifiée pour plus de clarté.
MIT Technology Review regrette les erreurs.