La recherche est une étape vers l’étude de la « gravité quantique » en laboratoire


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  • Les scientifiques ont, pour la première fois, développé une expérience quantique qui leur permet d’étudier la dynamique, ou le comportement, d’un type particulier de trou de ver théorique. L’expérience n’a pas créé de véritable trou de ver (une rupture dans l’espace et le temps), elle permet plutôt aux chercheurs de sonder les liens entre les trous de ver théoriques et la physique quantique, une prédiction de la soi-disant gravité quantique. La gravité quantique fait référence à un ensemble de théories qui cherchent à relier la gravité à la physique quantique, deux descriptions fondamentales et bien étudiées de la nature qui semblent intrinsèquement incompatibles l’une avec l’autre.

    « Nous avons trouvé un système quantique qui présente les propriétés clés d’un trou de ver gravitationnel, mais qui est suffisamment petit pour être mis en œuvre sur le matériel quantique d’aujourd’hui », déclare Maria Spiropulu, chercheuse principale du programme de recherche US Department of Energy Office of Science Quantum Communication Channels for Fundamental Physics (QCCFP) et professeur de physique Shang-Yi Ch’en à Caltech. « Ce travail constitue une étape vers un programme plus vaste de test de la physique de la gravité quantique à l’aide d’un ordinateur quantique. Il ne remplace pas les sondes directes de la gravité quantique de la même manière que d’autres expériences prévues qui pourraient sonder les effets de la gravité quantique à l’avenir en utilisant la détection quantique. , mais il offre un banc d’essai puissant pour mettre en pratique les idées de gravité quantique. »

    La recherche sera publiée le 1er décembre dans la revue La nature. Les premiers auteurs de l’étude sont Daniel Jafferis de l’Université de Harvard et Alexander Zlokapa (BS ’21), un ancien étudiant de premier cycle à Caltech qui a commencé ce projet pour sa thèse de licence avec Spiropulu et a depuis poursuivi ses études supérieures au MIT.

    Les trous de ver sont des ponts entre deux régions éloignées dans l’espace-temps. Ils n’ont pas été observés expérimentalement, mais les scientifiques ont théorisé leur existence et leurs propriétés depuis près de 100 ans. En 1935, Albert Einstein et Nathan Rosen ont décrit les trous de ver comme des tunnels à travers le tissu de l’espace-temps conformément à la théorie générale de la relativité d’Einstein, qui décrit la gravité comme une courbure de l’espace-temps. Les chercheurs appellent les trous de ver des ponts d’Einstein-Rosen d’après les deux physiciens qui les ont invoqués, tandis que le terme « trou de ver » lui-même a été inventé par le physicien John Wheeler dans les années 1950.

    L’idée que les trous de ver et la physique quantique, en particulier l’intrication (un phénomène dans lequel deux particules peuvent rester connectées sur de grandes distances), peuvent avoir un lien a été proposée pour la première fois dans la recherche théorique par Juan Maldacena et Leonard Susskind en 2013. Les physiciens ont émis l’hypothèse que les trous de ver ( ou « ER ») étaient équivalents à l’enchevêtrement (également connu sous le nom de « EPR » d’après Albert Einstein, Boris Podolsky [PhD ’28], et Nathan Rosen, qui a été le premier à proposer le concept). Essentiellement, ces travaux ont établi un nouveau type de lien théorique entre les mondes de la gravité et de la physique quantique. « C’était une idée très audacieuse et poétique », déclare Spiropulu à propos des travaux ER = EPR.

    Plus tard, en 2017, Jafferis, avec ses collègues Ping Gao et Aron Wall, a étendu l’idée ER = EPR non seulement aux trous de ver, mais aux trous de ver traversables. Les scientifiques ont concocté un scénario dans lequel l’énergie répulsive négative maintient un trou de ver ouvert assez longtemps pour que quelque chose passe d’un bout à l’autre. Les chercheurs ont montré que cette description gravitationnelle d’un trou de ver traversable équivaut à un processus connu sous le nom de téléportation quantique. Dans la téléportation quantique, un protocole qui a été démontré expérimentalement sur de longues distances via la fibre optique et par voie aérienne, les informations sont transportées dans l’espace en utilisant les principes de l’intrication quantique.

    Le présent travail explore l’équivalence des trous de ver avec la téléportation quantique. L’équipe dirigée par Caltech a réalisé les premières expériences qui sondent l’idée que les informations voyageant d’un point de l’espace à un autre peuvent être décrites soit dans le langage de la gravité (les trous de ver), soit dans le langage de la physique quantique (intrication quantique).

    Une découverte clé qui a inspiré des expériences possibles s’est produite en 2015, lorsque Alexei Kitaev de Caltech, le professeur Ronald et Maxine Linde de physique théorique et de mathématiques, a montré qu’un système quantique simple pouvait présenter la même dualité décrite plus tard par Gao, Jafferis et Wall, comme que la dynamique quantique du modèle est équivalente aux effets de la gravité quantique. Ce modèle Sachdev-Ye-Kitaev, ou SYK (nommé d’après Kitaev, et Subir Sachdev et Jinwu Ye, deux autres chercheurs qui ont travaillé sur son développement auparavant) a conduit les chercheurs à suggérer que certaines idées théoriques de trous de ver pourraient être étudiées plus en profondeur en faisant des expériences sur processeurs quantiques.

    Poursuivant ces idées, en 2019, Jafferis et Gao ont montré qu’en enchevêtrant deux modèles SYK, les chercheurs devraient pouvoir effectuer une téléportation de trou de ver et ainsi produire et mesurer les propriétés dynamiques attendues des trous de ver traversables.

    Dans la nouvelle étude, l’équipe de physiciens a réalisé ce type d’expérience pour la première fois. Ils ont utilisé un « bébé » modèle de type SYK préparé pour préserver les propriétés gravitationnelles, et ils ont observé la dynamique des trous de ver sur un appareil quantique de Google, à savoir le processeur quantique Sycamore. Pour ce faire, l’équipe a d’abord dû réduire le modèle SYK à une forme simplifiée, un exploit qu’elle a réalisé en utilisant des outils d’apprentissage automatique sur des ordinateurs conventionnels.

    « Nous avons utilisé des techniques d’apprentissage pour trouver et préparer un système quantique simple de type SYK qui pourrait être codé dans les architectures quantiques actuelles et qui préserverait les propriétés gravitationnelles », explique Spiropulu. « En d’autres termes, nous avons simplifié la description microscopique du système quantique SYK et étudié le modèle effectif résultant que nous avons trouvé sur le processeur quantique. Il est curieux et surprenant de voir comment l’optimisation sur une caractéristique du modèle a préservé les autres métriques ! Nous avons prévoit d’autres tests pour obtenir de meilleures informations sur le modèle lui-même. »

    Dans l’expérience, les chercheurs ont inséré un qubit – l’équivalent quantique d’un bit dans les ordinateurs conventionnels à base de silicium – dans l’un de leurs systèmes de type SYK et ont observé les informations émerger de l’autre système. L’information a voyagé d’un système quantique à l’autre via la téléportation quantique – ou, parlant dans le langage complémentaire de la gravité, l’information quantique a traversé le trou de ver traversable.

    « Nous avons effectué une sorte de téléportation quantique équivalente à un trou de ver traversable dans l’image de la gravité. Pour ce faire, nous avons dû simplifier le système quantique au plus petit exemple qui préserve les caractéristiques gravitationnelles afin que nous puissions l’implémenter sur le processeur quantique Sycamore de Google,  » dit Zlokapa.

    La co-auteure Samantha Davis, étudiante diplômée à Caltech, ajoute : « Il a fallu beaucoup de temps pour arriver aux résultats, et nous nous sommes surpris avec le résultat. »

    « L’importance à court terme de ce type d’expérience est que la perspective gravitationnelle fournit un moyen simple de comprendre un phénomène quantique autrement mystérieux à plusieurs particules », déclare John Preskill, professeur Richard P. Feynman de physique théorique à Caltech et directeur de l’Institut de l’information quantique et de la matière (IQIM). « Ce que j’ai trouvé intéressant dans cette nouvelle expérience de Google, c’est que, grâce à l’apprentissage automatique, ils ont pu rendre le système suffisamment simple pour être simulé sur une machine quantique existante tout en conservant une caricature raisonnable de ce que prédit l’image de la gravitation. »

    Dans l’étude, les physiciens rapportent un comportement de trou de ver attendu à la fois du point de vue de la gravité et de la physique quantique. Par exemple, alors que les informations quantiques peuvent être transmises à travers l’appareil, ou téléportées, de diverses manières, le processus expérimental s’est avéré équivalent, du moins à certains égards, à ce qui pourrait arriver si les informations traversaient un trou de ver. Pour ce faire, l’équipe a tenté « d’ouvrir le trou de ver » en utilisant des impulsions d’énergie répulsive négative ou l’énergie positive opposée. Ils ont observé les signatures clés d’un trou de ver traversable uniquement lorsque l’équivalent de l’énergie négative était appliqué, ce qui est cohérent avec le comportement attendu des trous de ver.

    « La haute fidélité du processeur quantique que nous avons utilisé était essentielle », explique Spiropulu. « Si les taux d’erreur étaient supérieurs de 50 %, le signal aurait été entièrement obscurci. S’ils étaient de moitié, nous aurions 10 fois plus de signal ! » ?

    À l’avenir, les chercheurs espèrent étendre ces travaux à des circuits quantiques plus complexes. Bien que les ordinateurs quantiques authentiques soient encore dans des années, l’équipe prévoit de continuer à effectuer des expériences de cette nature sur les plates-formes informatiques quantiques existantes.

    « La relation entre l’intrication quantique, l’espace-temps et la gravité quantique est l’une des questions les plus importantes de la physique fondamentale et un domaine actif de la recherche théorique », explique Spiropulu. « Nous sommes ravis de faire ce petit pas vers le test de ces idées sur du matériel quantique et nous continuerons. »

    L’étude intitulée « Traversable wormhole dynamics on a quantum processor » a été financée par le US Department of Energy Office of Science via le programme de recherche QCCFP. D’autres auteurs incluent : Joseph Lykken de Fermilab ; David Kolchmeyer, anciennement à Harvard et maintenant postdoctorant au MIT ; Nikolai Lauk, ancien postdoctorant à Caltech ; et Hartmut Neven de Google.

    Plus d’informations peuvent être trouvées sur le site Web de l’Alliance pour les technologies quantiques : https://inqnet.caltech.edu/wormhole2022.

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