Dans un article publié dans Physique des communicationsDes chercheurs de l'Université Libre de Bruxelles et de l'Institut pour l'optique quantique et les informations quantiques à Vienne présentent un nouveau cadre pour décrire la physique par rapport aux cadres de référence quantique, dévoilant l'importance de « particules supplémentaires » précédemment non reconnues.
Dans toute expérience, la spécification d'une quantité physique d'intérêt repose toujours sur un cadre de référence. Par exemple, l'identification de l'heure à laquelle un événement se produit n'a de sens que par rapport à une horloge. De même, la position d'une particule est généralement définie par rapport à d'autres particules. Les cadres de référence sont généralement traités comme des systèmes classiques, c'est-à-dire qu'ils sont supposés avoir des valeurs définies lorsqu'elles sont mesurées par rapport à d'autres cadres de référence.
Cependant, à notre connaissance, chaque système est finalement quantique. En tant que tel, il peut, en principe, exister dans des états indéfinis appelés superpositions quantiques. À quoi ressemble le monde physique lorsqu'il est décrit du point de vue d'un cadre de référence qui peut être dans une superposition quantique? Pouvons-nous définir des règles cohérentes pour changer entre différentes perspectives?
Au cours des dernières années, il y a eu une augmentation des efforts des chercheurs en fondements quantiques pour répondre à ces questions, qui devraient apporter un nouvel éclairage sur certains aspects de la physique à l'intersection de la théorie quantique et de la relativité générale, comme le phénomène de l'ordre causal indéfini. L'une des principales difficultés que de telles tentatives ont rencontrées est la dépendance apparente des résultats des transformations de cadre de référence quantique sur l'existence de systèmes éloignés, ce qui va contraire à la localité chère des lois physiques.
Maintenant, Esteban Castro-Ruiz de l'Institut pour l'optique quantique et les informations quantiques à Vienne (anciennement à l'Université Libre de Bruxelles) et Ognyan Oreshkov de l'Université Libre de Bruxelles ont fourni une solution à ce puzzle, basé sur un cadre de référence opérationnel physiquement rigoureux.
En utilisant uniquement des outils standard de la théorie quantique, les auteurs ont dérivé une manière mathématiquement cohérente de se transformer entre les perspectives de différentes cadres de référence quantique, qui dépendent uniquement des cadres et du système qu'ils souhaitent décrire.
Leur aperçu clé est que la perspective d'un cadre de référence doit contenir tous les sous-systèmes du cadre et le système accessible « de l'intérieur », c'est-à-dire sans accès à un cadre de référence externe. Il s'avère que ces sous-systèmes incluent plus que le système tel que décrit par rapport au cadre, comme le supposait précédemment. Ils comprennent également un sous-système qui comporte des informations sur les propriétés relationnelles du cadre lui-même.
Ce sous-système – a interdit la « particule supplémentaire » – ne joue aucun rôle lorsque le cadre est classique, mais il devient important lorsque le cadre est dans un état quantique, en particulier pour garantir que les transformations entre différentes perspectives sont réversibles.
« Dans le cas où le cadre de référence est dans un état classique, la particule supplémentaire ne porte aucune information et peut être ignorée, ce qui peut expliquer pourquoi il est négligé dans notre cadre quantique habituel », explique Castro-Ruiz. « Ce qui est surprenant, c'est que notre cadre de référence soit dans un état classique ou dans une superposition quantique peut être déterminée en interne en mesurant la particule supplémentaire, c'est donc une propriété qui est indépendante du cadre externe, contrairement à ce qui était auparavant cru. »
« Ce que je trouve remarquable, c'est la simplicité de notre solution. Notre cadre ne fait aucune hypothèse – il est dérivé de la perspective d'un cadre de référence d'arrière-plan en utilisant uniquement des outils mécaniques quantiques standard, mais les résultats sont indépendants du cadre externe et applicable également dans les cas où un tel cadre n'existe pas », souligne Oreshkov.
Le nouveau cadre jette les bases d'une compréhension relationnelle plus profonde du rôle des trames de référence dans la théorie quantique, avec des applications potentielles pour évaluer la théorie et la gravité.
