mercredi , 22 novembre 2017

L'étrangeté quantique est une matière du temps

Les sauts quantiques connectent des moments différents dans le temps. Cela suggère que ce sont les liens quantiques, et non l’espace-temps, qui constitue la structure fondamentale de l’univers.


L'étrangeté quantique est une matière du temps
L‘article original a été publié sur Quanta Magazine.

En novembre 2015, des ouvriers qui faisaient des travaux au MIT sont tombés dans une capsule temporelle. Ils ont découvert cette capsule 942 ans à l’avance. Enterrée en 1957 et prévue pour 2957, la capsule était un cylindre de verre rempli avec du gaz inerte pour préserver son contenu. La capsule était recouverte avec du carbone-14 pour que les scientifiques du futur puissent déterminer sa datation. Les administrateurs du MIT prévoient de la réparer et de l’enterrer de nouveau. Mais est-ce qu’il est possible de faire en sorte, d’une manière certaine, qu’un message prévu pour le futur ne puisse pas être ouvert avec sa date d’ouverture ?

La physique quantique offre un moyen. En 2012, Jay Olson et Timothy Ralph, 2 physiciens de l’université du Queensland en Australie, ont proposé une procédure pour chiffrer des données de sorte qu’on puisse uniquement les déchiffrer à un moment précis dans le futur. Leur procédure exploite l’intrication quantique, un phénomène dans lequel des particules ou des points dans un champ, tel que le champ électromagnétique, perdent leurs identités séparées et supposent une existence partagée, et qu’elles vont être corrélées l’une avec l’autre. Normalement, les physiciens pensent que l’intrication quantique se produit dans l’espace même sur de grandes distances dans un phénomène qu’Albert Einstein surnommait l’action étrange à distance. Mais une nouvelle voie croissante de recherche estime que l’intrication quantique est aussi valable pour le temps. Ce que vous connectez aujourd’hui est corrélé avec ce qui se passera plus tard et cette manière de voir va plus loin qu’une simple explication mécanique. En effet cette fois, on va plutôt parler de l’action étrange à retardement.

Ces corrélations perturbent considérablement nos intuitions sur l’espace et le temps. Non seulement 2 événements peuvent être corrélés, la connexion du précédent avec le prochain, mais 2 événements peuvent devenir corrélés de telle manière qu’il est impossible de dire l’événement du passé et l’événement du futur. Chacun de ces événements est la cause de l’autre comme si chacun était le premier à se produire (Même un seul observateur peut rencontrer cette ambiguïté causale, car il est distinct sur les inversement temporels qui se produit quand 2 observateurs se déplacent à différentes vitesses comme c’est décrit par la théorie de la relativité générale d’Einstein).

Mais le plus important est que les chercheurs espèrent que cette voie va proposer un moyen d’unifier la théorie quantique avec la relativité générale, cette dernière décrivant la structure de l’espace-temps. Le monde que nous voyons tous les jours, dans lequel les événements se produisent dans un ordre déterminé par leurs localisations dans l’espace et le temps, est juste un sous-ensemble des possibilités proposé par la mécanique quantique. Si vous avez un espace-temps, alors vous avez un ordre causal bien défini selon Caslav Brukner, un physicien de l’université de Vienne qui étudie l’information quantique. Mais si vous n’avez pas un ordre causal bien défini, selon ce chercheur, alors vous n’avez plus d’espace-temps. Certains physiciens considèrent cette preuve comme une vision du monde extrêmement contre-intuitive dans laquelle les corrélations quantiques sont plus fondamentales que l’espace-temps et que l’espace-temps lui-même est construit à partir de corrélations parmi les événements qu’on peut appeler par le relationnisme quantique. Cet argument est une mise à jour de l’idée de Gottfried Leibniz et Ernst Mach sur le fait que l’espace-temps n’est pas une toile de fond donné par Dieu au monde, mais qu’il se base sur les contenus du matériau de l’univers.

Le fonctionnement de l’intrication quantique du temps

Pour comprendre l’intrication quantique du temps, on a besoin de comprendre l’intrication quantique dans l’espace, car les 2 sont très liés. Dans l’intrication quantique classique, 2 particules, telles que des photons, sont préparées dans un état quantique partagé et ensuite, on les envoie dans différentes directions. Une observatrice, Alice, mesure la polarisation d’un photon et son partenaire, Bob, mesure l’autre photon. Alice peut mesurer la polarisation sur l’axe horizontal tandis que Bob va le regarder sur une diagonale. Ou elle peut choisir l’angle vertical et Bob peut choisir un angle oblique. Les permutations sont infinies.

Le résultat de ces mesures va correspondre à chaque fois et ce qui est étrange est qu’ils correspondront même quand Alice et Bob vont varier leur choix de la mesure comme si la particule d’Alice savait ce qui se produit à celle de Bob et vice-versa. Et cela reste valable même quand il n’y a rien qui connecte les 2 particules. Pas de force, pas d’ondes ou de pigeon voyageur. La corrélation semble violer la localité, la règle qui stipulent que les effets sont provoqués par une cause et que les chaines de la cause et de l’effet sont impossibles à casser dans l’espace-temps.

Mais dans le cas du temps, le mystère est encore plus subtil, car cela implique un seul photon polarisé. Alice le mesure, ensuite Bob le mesure. La distance dans l’espace est remplacée par un intervalle du temps. La probabilité de voir le même résultat dépend de l’angle entre les polariseurs. En fait, il varie de la même manière que dans le cas spatial. À première vue, cela ne semble pas étrange puisque la première mesure affecte la seconde, mais nous la percevons comme l’intrication quantique dans l’espace-temps et non ce qu’elle implique réellement. En termes clairs, une particule peut communiquer avec sa version du futur. Mais est-ce que le futur est déjà défini ?

Cette énorme étrangeté vient d’une expérience conçue par Robert Spekkens, un physicien qui étudie les fondations de la mécanique quantique au Perimeter Institute for Theoretical Physics à Waterloo au Canada. Spekkens et ses collègues ont mené une expérience en 2009. Alice prépare un photon dans 1 des 4 manières possibles. On peut penser à ces 4 manières comme 2 bits d’information. Ensuite, Bob mesure la particule dans 1 des 2 manières possibles. S’il choisit de mesurer la particule dans la première manière, alors il obtient le premier bit d’information d’Alice. S’il choisit la seconde, alors il obtient le second bit (Techniquement, il n’obtient pas le bit de manière certaine, mais avec une probabilité très élevée).

L’explication évidente pour ce résultat serait que le photon stocke les 2 bits et qu’il propose 1 bit selon le choix de Bob. Mais si c’était le cas, alors on doit s’attendre à ce que Bob obtienne l’information sur les 2 bits,qu’il puisse les mesurer tous les 2 ou certaines caractéristiques des 2 bits indépendamment du fait qu’ils soient les mêmes ou différents. Mais Bob ne peut pas le faire. Aucune expérience, en principe, ne peut pas avoir les 2 bits et c’est une limite qu’on connait comme la limite d’Holevo. Les systèmes quantiques semblent avoir une mémoire, mais on ne peut pas y accéder selon Costantino Budroni, un physicien de l’université de Siegen en Allemagne.

Le photon semble contenir un seul bit, mais c’est comme si c’était la mesure de Bob qui décidait rétroactivement sur le type de bit. C’est peut-être ce qui se produit, mais c’est l’équivalent du temps, sur une limite étrange, qui implique la capacité de déterminer la nature du bit, mais empêche tout aperçu du futur.

Un autre exemple de l’intrication quantique temporelle nous vient d’une équipe menée par Stephen Brierley, un physicien mathématicien de l’université de Cambridge. Dans un papier de l’année dernière, Brierley et ses collaborateurs ont étudié l’intersection bizarre de l’intrication, de l’information et du temps. Si Alice et Bob choisissent seulement 2 orientations polarisées, alors les corrélations qu’ils voient sont expliquées par une particule transportant un seul bit. Mais s’ils choisissent parmi 9 directions possibles et qu’ils mesurent la particule 16 fois de suite, alors ils voient des corrélations qu’un seul bit de mémoire ne peut pas expliquer.

Ce que nous avons prouvé est que, si vous propagez un certain nombre de bits dans le temps, qui correspondent à cette limite d’Holevo, alors vous ne pouvez pas expliquer ce que la mécanique quantique prédit selon Tomasz Paterek, un physicien de la Nanyang Technological University à Singapour. En résumé, ce qu’Alice fait à la particule, au début de l’expérience, est corrélé avec ce que Bob va voir à la fin. Et cette corrélation est trop forte pour qu’on puisse l’expliquer facilement. On peut appeler ce phénomène comme la Supermémoire sauf que la catégorie de la mémoire ne semble pas capturer ce qui se passe.

Qu’est-ce qu’il y a dans la mécanique quantique, qui n’est pas présente dans la physique classique, qui dote cette particule avec cette Supermémoire ? Les chercheurs ont des avis divergents. Certains disent que la clé est que la mesure quantique perturbe inévitablement une particule. Une perturbation, par définition, est quelque chose qui affecte les prochaines mesures. Dans ce cas, la perturbation mène à la corrélation prédite.

En 2009, Michael Goggin, un physicien qui travaillait à l’université du Queensland et ses collègues ont fait une expérience pour résoudre ce problème. Ils ont utilisé l’astuce d’intriquer spatialement une particule avec une autre du même genre et ils ont mesuré la particule remplaçante plutôt que l’originale. La mesure de la remplaçante perturbait toujours la première (parce que les 2 sont intriqués). Mais les chercheurs pouvaient contrôler le niveau de perturbation en variant le niveau de l’intrication. Le compromis est que la connaissance de l’expérimentateur, sur la première particule, devienne moins fiable, mais les chercheurs ont compensé en testant plusieurs paires de particules et ils ont agrégé les résultats dans une manière particulière. Goggin et son équipe ont réduit la perturbation à un tel niveau que la première particule n’était quasiment plus perturbée. Mais les mesures, à différentes intervalles, étaient toujours intriquées. En fait, l’intrication se produisait même quand les mesures perturbaient fortement la particule. De ce fait, la question de la Supermémoire reste un mystère. Pour le moment, si vous demandez pourquoi les particules quantiques produisent une intrication temporelle très forte, alors les physiciens vous répondront : Parce que

Les capsules temporelles quantiques

Mais les choses deviennent plus intéressantes. On a le potentiel d’avoir des capsules temporelles quantiques et d’autres choses quand nous allons vers la théorie quantique des champs. Cette dernière est une version plus avancée de la mécanique quantique qui décrit le champ électromagnétique et d’autres champs de la nature. Un champ est un système fortement intriqué. Les différentes parties sont mutuellement connectées. Une fluctuation aléatoire du champ dans un endroit va correspondre avec une fluctuation aléatoire dans un autre (Le terme de partie se réfère à la fois à des régions de l’espace et des délais de temps).

Même un vide absolu, qui est défini par l’absence de particules, aura toujours des champs quantiques. Et ces champs sont en vibration constante. L’espace semble vide parce que les vibrations s’annulent. Et pour qu’elles puissent s’annuler, alors il faut qu’elles soient intriquées. L’annulation nécessite un ensemble de vibrations. Un sous-ensemble ne va pas nécessairement s’annuler, mais vous verrez uniquement un sous-ensemble.

Si un détecteur hypothétique se trouve dans ce vide absolu, alors il ne détectera pas de particules. Cependant, n’importe quel détecteur a une limite. Le champ semblera déséquilibré à ce détecteur et il détectera des particules dans un vide absolu comme un compteur Geiser dans une mine d’uranium. En 1976, Bill Unruh, un physicien théoricien de l’université de British Columbia, a montré que le niveau de détection augmente si le détecteur accélère puisque le détecteur perd sa sensibilité dans les régions de l’espace où il se déplace. Et si on l’accélère à fond, alors le détecteur deviendra fou et les particules qu’il verra seront intriquées avec celles qui sont en dehors de sa vision.

En 2011, Oslon et Ralph ont montré que la même chose se produit si le détecteur peut accélérer dans le temps. Ils ont décrit un détecteur qui est sensible aux photons à une seule fréquence à n’importe quel moment. Le détecteur bascule entre les fréquences comme un scanner des radios de la police allant des plus hautes aux plus basses fréquences (ou vice-versa). S’il balaie à un rythme rapide, alors il va scanner toutes les fréquences de la radio et il cessera de fonctionner. Étant donné que le détecteur fonctionne seulement pendant une période limitée, alors il ne peut pas sentir toute la portée des vibrations du champ en créant les perturbations prédites par Unruh. Mais désormais, les particules qu’il va scanner seront intriquées avec les particules qui sont cachées dans une région du temps, soit le futur.

Olson et Ralph suggèrent la construction d’un détecteur à partir d’une boucle de matériaux superconducteurs. Conçue pour scanner la lumière proche de l’infrarouge et pour compléter un scan en quelques femtosecondes (10-15 secondes), la boucle pourrait voir le vide qui brille comme un gaz dans une chambre à température ambiante. Et aucun détecteur réaliste, qui accélère dans l’espace, ne pourrait accomplir ce phénomène et cela pourrait être une expérience importante pour le test de la théorie quantique des champs. Elle justifiera aussi certaines idées de Stephen Hawking sur l’évaporation d’un trou noir qui implique les mêmes types de physiques.

Si vous construisez 2 détecteurs, le premier qui accélère et le second qui ralentit à la même fréquence, alors les particules, vues par un détecteur, seront corrélées avec les particules qui sont vues par le second. Le premier détecteur va scanner une chaine de particules errantes à des intervalles aléatoires. Des minutes ou même des années plus tard, le second détecteur va scanner une autre chaine de particules errantes dans les mêmes intervalles prouvant l’action étrange de la récurrence des événements. Si vous les regardez sur le plan individuel, alors le cliquement vous semblera aléatoire, mais si vous cliquez sur une particule précise, alors vous savez qu’il y aura un cliquement sur une seconde particule si vous le regardez dans un moment particulier selon Ralph.

Ces corrélations temporelles sont les ingrédients de la capsule quantique temporelle. On doit cette idée à James Franson, un physicien de l’université du Maryland (Franson a utilisé des corrélations spatiales et Olson et Ralph ont utilisé des corrélations temporelles pour plus de facilité). Vous écrivez votre message, encodez chaque bit avec un photon et vous utilisez un de vos 2 détecteurs spéciaux pour mesurer ces photons à travers le champ d’arrière-plan afin de chiffrer vos bits. Vous stockez le résultat dans la capsule et vous l’enterrez.

Dans le futur, vos descendants vont mesurer le champ avec un détecteur couplé. Les 2 résultats, combinés, vont reconstituer l’information d’origine. L’état est démembré pour le temps (entre les 2 mesures), mais il est chiffré dans ces corrélations dans le vide selon Ralph. Et étant donné que vos descendants doivent attendre le déclenchement du second détecteur, il n’y a aucun moyen de déchiffrer le message avant sa date prévue dans le futur. La même procédure vous permettrait de générer des particules intriquées que vous pourrez utiliser dans le calcul et le chiffrement. Vous pouvez effectuer la distribution quantique sans envoyer de signal quantique selon Ralph. L’idée est que vous utilisez juste les corrélations qui sont déjà présentes dans le vide.

La nature de l’espace-temps

Ces corrélations temporelles défient également les suppositions des physiciens sur la nature de l’espace-temps. Quand 2 événements sont corrélés et que ce n’est pas un hasard, alors on a 2 explications : Un événement cause l’autre ou un troisième facteur provoque les 2. Une supposition à cette logique est que les événements se produisent dans un ordre donné qui est dicté par leurs localisations dans l’espace et le temps. Étant donné que les corrélations quantiques, certainement du genre spatial et une possibilité sur le type temporel, sont trop fortes pour être expliquées en utilisant une des 2 explications, alors les physiciens sont obligés de revoir toutes leurs suppositions. Nous ne pouvons pas vraiment expliquer ces corrélations selon Amin Baumeler, un physicien de l’université Italian Switzerland en Suisse. Il n’y a aucun mécanisme pour que ces corrélations se produisent et donc, ils ne s’adaptent pas à notre notion de l’espace-temps.

En se basant sur une idée par Lucien Hardy, un physicien du Perimeter Institute, Brukner et ses collègues ont étudié comment les événements peuvent être connectés sans présupposer l’existence de l’espace-temps. Si la base d’un événement dépend sur la sortie de l’autre, alors vous déduisez qu’il se produit plus tard et cela met l’intrication spatiale et temporelle sur un pied d’égalité. Et il vous permet d’envisager des intrications qui ne sont ni spatiales, ni temporelles. Cela signifie que ces expériences ne sont pas compatibles pour aller ensemble et qu’il n’y a aucune manière de les situer que ce soit dans l’espace ou le temps.

Le groupe de Brukner a créé une expérience étrange pour illustrer l’idée. Alice et Bob lancent une pièce. Chaque personne écrit le résultat de sa propre pièce sur un papier tout en écrivant aussi le résultat possible de l’autre personne. Chaque personne envoie le papier à l’autre avec cette information. Ils le font un certain nombre de fois pour déterminer le niveau de succès de leurs prédictions.

Normalement, les règles du jeu stipulent qu’Alice et Bob le font dans une certaine séquence. Supposons qu’Alice passe la première. Elle devine le résultat de Bob (qui ne s’est pas encore produit), mais elle envoie son propre résultat à Bob. La prédiction d’Alice sur la pièce de Bob sera correcte à 50 % du temps, mais la prédiction de Bob sera toujours correcte. Dans le prochain round, Bob passe en premier et les rôles sont inversés. Le succès global doit tourner aux alentours de 75 %. Mais maintenant, vous supposez qu’ils ne le font pas dans une certaine séquence et qu’ils remplacent le papier avec une particule quantique, alors ils vont réussir à 85 %.

Si vous essayez de situer cette expérience avec l’espace et le temps, alors vous serez forcé de conclure qu’elle implique un niveau limité de voyage temporel. C’est la seule explication pour que la personne, qui passe en second, puisse communiquer ses résultats en remontant le temps par rapport à la personne qui passe la première (Un soulagement pour la patrouille du temps parce qu’il n’y aura plus de paradoxes de logique, à savoir, un événement ne peut pas devenir sa propre cause).

Brukner et ses collègues de Vienne ont effectué une expérience dans le monde réel qui est similaire. Dans l’expérience, les manipulations d’Alice et de Bob se basaient sur 2 filtres optiques. Les chercheurs ont envoyé un flux de photons sur un miroir partiellement argenté pour que la moitié de photons prennent un chemin et l’autre moitié passe par un autre chemin. Il était impossible de dire, sans la mesure, le chemin emprunté par chaque photon individuel et dans ce sens, il semblait que le photon avait pris les 2 chemins en même temps. Sur le premier chemin, les photons sont passés dans le filtre d’Alice en premier suivi par celui de Bob. Sur le second chemin, les photons ont navigué en ordre inverse. L’expérience a permis à l’indétermination quantique d’atteindre de nouveaux sommets. Non seulement, les particules ne possédaient pas les propriétés à l’avance de la mesure, mais les opérations qu’on a effectuées sur ces particules n’ont pas été conduites dans une séquence définie.

Sur un niveau pratique, cette expérience ouvre de nouvelles possibilités pour les ordinateurs quantiques. Les filtres correspondant à Alice et Bob représentent 2 opérations mathématiques différentes et le dispositif était capable de vérifier une seule étape indépendamment de l’ordre des opérations. On n’avait pas besoin de dire si A était suivi par B ou que B était suivi par A. Normalement, on a besoin de ces 2 étapes pour le faire et donc, cette expérience permet une accélération considérable du processus. Les ordinateurs quantiques sont souvent décrits comme étant capables d’effectuer une série d’opérations sur toutes les données possibles en une seule fois, mais ils pourraient être aussi capables d’effectuer toutes les opérations en une seule fois.

Mais on peut pousser encore cette expérience. Dans le test de Brukner, le chemin de chaque photon individuel est placé dans une superposition, le photon utilise une combinaison quantique du premier chemin d’Alice et du premier chemin de Bob. Et il n’y a pas de réponse définitive à la question. On ne peut pas dire le filtre par lequel le photon passera en premier tant qu’on n’a pas effectué la mesure et levé l’ambiguïté. Et si au lieu d’un photon, on pouvait mettre un objet qui gravite autour d’une superposition temporelle. Le dispositif mettrait l’espace-temps lui-même dans une superposition. Dans un tel cas, la séquence d’Alice et de Bob restera ambiguë en permanence. La cause et l’effet vont se fondre et vous ne pourrez jamais dire ce qui s’est passé étape par étape.

Et c’est seulement lorsque les relations causales indéterminées, entre ces événements, disparaissent que la nature réalise les possibilités disponibles et que l’espace et le temps prennent un sens. En termes clairs, les intrications quantiques sont toujours les premières suivis de l’espace-temps. Mais comment l’espace-temps émerge du monde quantique ? Brukner a déclaré qu’il n’est pas certain. Comme avec la capsule temporelle qu’on ne pourra ouvrir qu’à une période précise dans le futur, on aura la réponse de l’émergence de l’espace quand le bon moment sera venu.

 

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A propos de Jacqueline Charpentier

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Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d’emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l’actualité scientifique et celle de la santé.

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  1. Passionnant !

    Merci pour vos articles

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