Un groupe de physiciens suggère que les horloges atomiques pourraient mesurer la nature quantique du temps, c’est-à-dire qu’elles pourraient mesurer le temps s’écoulant simultanément plus vite et plus lentement. Lorsque les mouvements des horloges suivent les principes de la mécanique quantique, ces mouvements pourraient exister en superposition, tout comme le fil du temps lui-même. Les technologies d’horloges et d’ordinateurs quantiques pourraient peut-être étudier ce phénomène.
Le temps a longtemps été considéré comme constant et inaltérable avant qu’Einstein ne publie sa théorie de la relativité générale. Selon cette théorie, le temps est relatif et chaque horloge est soumise à son propre rythme d’écoulement du temps selon sa vitesse et sa position. Une horloge se déplaçant à 10 m/s pendant 57 millions d’années serait par exemple, à titre d’ordre de grandeur théorique, en retard d’une seconde par rapport à une horloge immobile.
Cet effet est illustré par le célèbre « paradoxe des jumeaux » : deux jumeaux identiques vieilliront différemment si l’un d’eux effectue un voyage aller-retour à grande vitesse dans l’espace tandis que l’autre reste sur Terre. Ce phénomène a été démontré expérimentalement par des horloges à haute précision telles que les horloges atomiques et ioniques.
« Il n’existe pas de temps universel, seulement ce que nous appelons le « temps propre » : chaque observateur enregistre son propre temps, et celui-ci peut différer », explique Igor Pikovski, du Stevens Institute of Technology aux États-Unis, à Science Alert.
Il existerait cependant une version plus complexe de ce phénomène : le « paradoxe quantique des jumeaux ». Selon cette hypothèse, une horloge unique pourrait être dans un état où deux évolutions temporelles sont superposées, selon le principe de superposition quantique. Le flux temporel pourrait ainsi exister simultanément dans deux états différents en s’écoulant à la fois plus vite et plus lentement.
Si la théorie a été proposée il y a plus de dix ans par l’équipe de Pikovski, les effets auraient été jusqu’ici hors de portée expérimentale. Dans le cadre d’une étude parue hier (20 avril) dans Physical Review Letters, Pikovski et ses collègues ont montré que le temps quantique pourrait bientôt (si ce n’est déjà le cas) être mesuré par les horloges atomiques, compte tenu des avancées dans le domaine.
« Le temps joue des rôles très différents en théorie quantique et en relativité », explique Pikovski dans un communiqué. « Nous montrons que la combinaison de ces deux concepts peut révéler des signatures quantiques cachées du flux temporel qui ne peuvent plus être décrites par la physique classique. »
Vers une superposition du temps lui-même
Afin d’explorer comment la nature quantique du temps pourrait être mesurée, l’équipe de Pikovski a examiné l’interaction du temps relativiste avec la mécanique quantique dans les horloges atomiques. Pour ce faire, les horloges piégeraient des ions uniques (tels que l’aluminium et l’ytterbium) et seraient refroidies à une température proche du zéro absolu afin de pouvoir manipuler les états quantiques des ions à l’aide d’impulsions laser.
D’après les calculs de l’équipe, il serait possible d’observer les caractéristiques quantiques du temps en combinant les avancées en matière de technologies d’horloges atomiques avec celles des ordinateurs quantiques à ions piégés.
« Les horloges atomiques sont aujourd’hui si sensibles qu’elles peuvent détecter d’infimes différences de temps dues aux seules vibrations thermiques à des températures extrêmement basses », explique Gabriel Sorci, doctorant au Stevens Institute of Technology et co-auteur de l’étude. « Mais même au zéro absolu, à l’état fondamental, la fréquence d’horloge reste affectée par les seules fluctuations quantiques. »
D’autre part, les chercheurs ont également démontré que plutôt que de simplement refroidir les atomes, il serait possible de manipuler le vide en utilisant une technique dite « compression », pour amplifier de minuscules fluctuations au sein d’un système. Plus précisément, l’approche permettrait de créer des états comprimés où la position et la vitesse de l’horloge présentent un comportement quantique.
D’après Christian Sanner de l’Université d’État du Colorado, et Dietrich Leibfried au National Institute of Standards and Technology (NIST), également co-auteur de l’étude : « nous disposons de la technologie nécessaire pour générer la compression requise et d’une voie pour atteindre la précision d’horloge requise dans les horloges ioniques afin d’observer de tels effets pour la première fois. » La prochaine étape sera donc de réaliser ces expériences en laboratoire et de confirmer si les horloges atomiques peuvent réellement mesurer les caractéristiques quantiques du temps.
