Une compréhension complète de bon nombre des forces les plus fondamentales en jeu dans notre monde s’est avérée glissante. Une nouvelle expérience menée par un groupe de chercheurs, dont Daniel Jafferis du département de physique de Harvard et ses pairs de Caltech, représente un petit pas dans l’avancement de notre vision de la relation entre la gravité, qui façonne l’univers, et la mécanique quantique, le cadre théorique régissant le mouvement et l’interaction des particules subatomiques.
Depuis plus de 100 ans, la description courante de la gravité découle de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, selon laquelle la gravité est liée à la courbure de l’espace-temps. Au cours des 25 dernières années, les scientifiques ont découvert qu’il existe un lien étroit entre la gravité et la mécanique quantique. Parmi ces connexions figurent les trous de ver, également appelés ponts ou tunnels de l’espace, qu’Einstein a décrits en 1935 comme des passages à travers l’espace-temps pouvant relier deux trous noirs.
L’équipe de Jafferis a pour la première fois mené une expérience basée sur l’informatique quantique actuelle pour comprendre la dynamique des trous de ver. “C’est une simulation quantique d’un trou de ver extraordinairement petit”, a déclaré Jafferis. “Avant cela, il n’était pas clair avec les appareils que nous avons maintenant si on pouvait le faire du tout.” La recherche a été publiée dans Nature.
La théorie de la relativité générale d’Einstein décrit les trous de ver comme deux trous noirs dont les intérieurs sont joints, où quelque chose peut sauter de chaque côté, se rencontrer au milieu, mais aucun ne peut en sortir – le piège proverbial dans un trou noir.
“C’est une belle idée des années 1930 que les intérieurs de trous de ver soient joints, mais on ne sait pas si ce concept est une déclaration significative sur le plan opérationnel”, a déclaré Jafferis. « Mais maintenant, nous savons que la configuration des trous de ver a en effet une interprétation physique ; cela correspond aux deux trous noirs séparés dans un espace hautement intriqué.
Ces dernières années, les scientifiques ont construit des dispositifs physiques comme des ordinateurs quantiques pour créer des simulations dans lesquelles ils peuvent manipuler les enchevêtrements d’états quantiques de manière contrôlée. L’équipe de Jafferis voulait voir si elle pouvait créer un modèle simplifié qui imiterait les aspects gravitationnels d’un trou de ver. Pourraient-ils créer un système quantique où le modèle d’enchevêtrement spatial est structurellement du bon type pour donner l’impression d’envoyer quelque chose à travers un trou de ver ?
Dans des expériences en laboratoire, les chercheurs ont introduit une connexion entre les deux côtés, rendant le trou de ver traversable. Les signaux pouvaient être envoyés d’un côté et passer de l’autre, peut-être pas rapidement, mais sans rester bloqués. Dans le langage quantique, cela s’appelle la “téléportation quantique”, un moyen d’envoyer des informations quantiques en utilisant l’intrication partagée. “Les informations ne sont pas envoyées par le signal direct, mais d’une manière plus subtile qui utilise l’intrication”, a ajouté Jafferis.
L’équipe a commencé avec un qubit, le type d’espace quantique le plus simple, dans une zone de leur appareil. Ils ont libéré d’autres qubits dans un autre espace intriqué fixe à l’intérieur de l’ordinateur pour un total de neuf qubits. Les deux espaces ont ensuite été mélangés à l’aide des opérations de porte de l’ordinateur quantique.
Ensuite, ils ont utilisé des opérations de données qui interprétaient le système en évolution selon certaines dynamiques. La dernière étape consistait à regarder le qubit une fois qu’il avait atteint l’autre côté de l’ordinateur. “Nous avons demandé si c’était le même que celui que nous avions envoyé ou s’il avait l’air différent”, a déclaré Jafferis. “C’était le circuit quantique le plus simple possible que nous pouvions créer pour voir si nous pouvions simuler la dynamique des trous de ver.”
Le but ultime de l’équipe est d’apprendre tous les détails de la description gravitationnelle des systèmes quantiques. “Nous savons comment cela fonctionne grâce aux mathématiques théoriques dans des cas limités, mais nous ne connaissons pas toutes les réponses”, a déclaré Jafferis. “En utilisant ce très petit système quantique, nous le voyons comme un premier pas vers la création de systèmes plus grands où nous pouvons en découvrir plus.”
Cette recherche a été financée par le US Department of Energy Office of Science.
