Malgré les nombreux efforts des physiciens pour unifier la relativité générale et la mécanique quantique, les deux théories sont toujours incompatibles à l’heure actuelle. Toutefois, cela n’interdit pas de combiner certaines propriétés de ces deux cadres pour aboutir à de nouveaux phénomènes physiques. C’est ce qu’a découvert une équipe de physiciens en montrant que la combinaison de deux caractéristiques majeures de la relativité générale et de la mécanique quantique pouvait faire émerger un ordre temporel quantique.
Une équipe internationale de chercheurs dirigée par des physiciens de l’Université de Vienne, de l’Académie autrichienne des sciences, de l’Université du Queensland (AUS) et du Stevens Institute of Technology (États-Unis), a combiné les éléments clés des deux théories décrivant le flux du temps et a découvert que l’ordre temporel entre les événements peut présenter de véritables caractéristiques quantiques. L’étude a été publiée dans la revue Nature Communications.
Selon la relativité générale, la présence d’un objet massif ralentit l’écoulement du temps. Cela signifie qu’une horloge placée près d’un objet massif fonctionnera plus lentement que celle identique plus éloignée (comparaison des temps propres des deux horloges). Cependant, les règles de la mécanique quantique permettent de préparer n’importe quel objet dans un état de superposition quantique.
Superposition quantique d’un objet massif : une question encore débattue
L’une des questions ouvertes en physique est donc la suivante : que se passe-t-il lorsqu’un objet suffisamment massif pour influencer le flux du temps est placé dans un état de superposition quantique ? Il s’agit d’un sujet controversé : certains physiciens affirment que de tels scénarios sont fondamentalement impossibles — un nouveau mécanisme doit empêcher la superposition de se former à la base — tandis que d’autres développent des théories entières basées sur l’hypothèse que cela est possible.
« Nous avons commencé par aborder une question : que mesurerait une horloge si elle était influencée par un objet massif se trouvant dans un état de superposition quantique ? » explique la physicienne Magdalena Zych, de l’Université du Queensland. Les physiciens s’attendaient à faire face aux obstacles rendant le scénario impossible, mais de manière surprenante, ils ont été capables de décrire exactement ce qui se passait à l’aide de la physique actuelle.
L’émergence d’un ordre temporel quantique
Ils ont ainsi découvert que, lorsqu’un objet massif est placé dans une superposition quantique au voisinage d’un ensemble d’horloges, leur ordre temporel peut devenir véritablement quantique, défiant toute description classique. Caslav Brukner, physicien à l’Université de Vienne, ajoute que le régime dans lequel pourrait émerger un ordre du temps quantique est assez éloigné des conditions quotidiennes, mais que la conclusion la plus importante de ces travaux est que l’ordre du temps quantique est possible, et qu’il en résulte de nouveaux effets physiques.
Pour illustrer ce qui se passe, imaginez une paire de vaisseaux spatiaux en formation pour une mission. Il leur est demandé de tirer l’un sur l’autre à un moment précis et de démarrer immédiatement leurs moteurs afin d’éviter les attaques. Si l’un des vaisseaux tire trop tôt, il détruira l’autre, ce qui établit un ordre chronologique indiscutable entre les événements de tir. Si quelqu’un pouvait placer un objet suffisamment massif, disons une planète, plus près d’un vaisseau, il ralentirait le compte à rebours. En conséquence, le vaisseau le plus éloigné de la masse tirerait trop tôt pour que le premier puisse esquiver
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Les lois de la mécaniques quantique et de la gravitation prédisent qu’en manipulant l’état de superposition quantique de la planète, les vaisseaux peuvent se retrouver dans une superposition de l’un ou l’autre d’entre eux en cours de destruction. Un tel état de superposition, impliquant deux systèmes, est caractérisé comme étant intriqué.
Un nouveau cadre pour tester les théories de la gravité quantique et améliorer les ordinateurs quantiques
La nouvelle étude montre que l’ordre temporel entre événements peut présenter une superposition et une intrication — des caractéristiques purement quantiques d’une importance particulière pour tester la mécanique quantique par rapport à des alternatives. Le résultat peut maintenant être utilisé comme un cadre d’essai théorique pour les théories de la gravité quantique, et ainsi aider à avancer dans la formulation d’une théorie de la gravité quantique effective.
L’étude sera également pertinente pour les technologies quantiques futures. Les ordinateurs quantiques qui exploitent l’ordre quantique des opérations peuvent surpasser les périphériques fonctionnant en utilisant uniquement des séquences fixes.
Les implémentations pratiques de l’ordre temporel quantique ne nécessitent pas de conditions extrêmes, telles que des planètes superposées, et peuvent être simulées sans utiliser la gravité. La découverte des propriétés quantiques du temps peut conduire à de meilleurs dispositifs quantiques dans la prochaine ère des ordinateurs quantiques.