11/12/22. Un grand pas vers la gravité quantique

Deux grandes théories scientifiques s’opposent pour décrire l’univers. L’une est la théorie de la relativité, présentée par Einstein à partir de 1905. L’autre est la mécanique quantique. Cette dernière est une théorie mathématique et physique décrivant la structure et l’évolution dans le temps et l’espace des phénomènes physiques à l’échelle de l’atome et des particules élémentaires. Elle a été découverte entre autres par Plank et Einstein.

De 1925 à 1927, toute une série de travaux de plusieurs physiciens et mathématiciens ont donné corps à ces deux théories générales

  • la mécanique ondulatoire de de Broglie et surtout de Schrödinger ;
  • la mécanique matricielle de Heisenberg, Born et Jordan.

Ces deux mécaniques furent unifiées par Schrödinger du point de vue physique, et par von Neumann du point de vue mathématique. Enfin, Dirac formula la synthèse ou plutôt la généralisation complète de ces deux mécaniques, que l’on nomme aujourd’hui la mécanique quantique.

Ces deux grandes théories sont aujourd’hui constamment vérifiées par la pratique expérimentale. Cependant elles paraissent incompatibles au niveau de l’atome et en dessous. Ainsi comment un atome pourrait-il être parfaitement déterminé dans la physique classique et dans le même temps obéir au principe d’indétermination de Erwin Schrodinger, décrit par le paradoxe dit DU CHAT DE SCHRÖDINGER. 

Aujourd’hui cependant les physiciens ne désespèrent pas de formuler une synthèse entre ces deux approches. On la nomme principe de la gravitation ou gravité quantique. Dans ce sens s’inscrit un exploit de physiciens américains de l’université Caltech, faisant l’objet de l’article dont nous publions ci-dessous les références. Ils estiment avoir réalisé un trou de ver

Un trou de ver serait dans leur cas un tunnel spatio-temporel connectant deux parties de l’univers. Mais ce ne serait pas dans l’espace temps qu’ils auraient réalisé cet exploit. C’est dans un ordinateur quantique, le Sycamore de Google, qui est installé à Santa Barbara. L’ordinateur quantique a reproduit toutes les caractéristiques du trou de ver 

Deux paquets de particules séparées y ont été connectées, via une sorte de tunnel, une particule supplémentaire a été introduite d’un côté et est ressortie de l’autre.

C’était une solution théorique, personne ne savait si cela pourrait exister dans la nature. Il fallait imaginer deux trous noirs qui creuseraient l’espace-temps jusqu’à se connecter l’un à l’autre. En travaillant avec des particules, les physiciens ont rendu le phénomène accessible…  

Il s’agirait d’une illustration permettant de faire le lien entre la théorie quantique, qui décrit les particules, et la relativité générale qui décrit la gravité et l’espace-temps. D’un côté l’infiniment petit, de l’autre l’infiniment grand, l’Univers. Les deux théories sont incompatibles, mais elles se trouvent réunies dans ce trou de ver.

Référence

Traversable wormhole dynamics on a quantum processor
  • Nature 
  • Volume 612, pages 51–55 (2022)
  • Abstract

The holographic principle, theorized to be a property of quantum gravity, postulates that the description of a volume of space can be encoded on a lower-dimensional boundary. The anti-de Sitter (AdS)/conformal field theory correspondence or duality is the principal example of holography. The Sachdev–Ye–Kitaev (SYK) model of N ≫ 1 Majorana fermions has features suggesting the existence of a gravitational dual in AdS2, and is a new realization of holography. We invoke the holographic correspondence of the SYK many-body system and gravity to probe the conjectured ER=EPR relation between entanglement and spacetime geometry through the traversable wormhole mechanism as implemented in the SYK model. A qubit can be used to probe the SYK traversable wormhole dynamics through the corresponding teleportation protocol. This can be realized as a quantum circuit, equivalent to the gravitational picture in the semiclassical limit of an infinite number of qubit. Here we use learning techniques to construct a sparsified SYK model that we experimentally realize with 164 two-qubit gates on a nine-qubit circuit and observe the corresponding traversable wormhole dynamics. Despite its approximate nature, the sparsified SYK model preserves key properties of the traversable wormhole physics: perfect size winding coupling on either side of the wormhole that is consistent with a negative energy shockwave, a Shapiro time delay, causal time-order of signals emerging from the wormhole, and scrambling and thermalization dynamics. Our experiment was run on the Google Sycamore processor. By interrogating a two-dimensional gravity dual system, our work represents a step towards a program for studying quantum gravity in the laboratory. Future developments will require improved hardware scalability and performance as well as theoretical developments including higher-dimensional quantum gravity duals and other SYK-like models

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