Une étude du comportement changeant d'un seul bit quantique dans le temps a découvert une similitude alléchante avec la géométrie de l'espace tridimensionnel
Certains physiciens remettent en question l'idée de l'espace-temps
Les physiciens du 19e siècle ont supposé que l'espace était distinct depuis le temps – et deux chercheurs soupçonnent maintenant qu'ils avaient raison de le faire. Leur conclusion, qui vient de considérer le comportement des qubits, remet en question l'idée désormais dominante que l'espace-temps à quatre dimensions est le tissu fondamental de la réalité physique.
Un qubit est un objet qui a deux états possibles – par exemple, deux tours différents. Parce qu'il est quantique, un qubit peut également exister dans des combinaisons de ces états que tout objet familier ne pourrait jamais prendre – un phénomène connu sous le nom de superposition.
Pendant des années, les physiciens ont trouvé que les mathématiques des États de Qubit étaient «extrêmement suggestives» d'une connexion plus profonde avec la géométrie de l'espace, explique Vlatko Veddral à l'Université d'Oxford. Maintenant, lui et James Fullwood à l'Université Hainan en Chine ont fait un argument mathématique sur la façon dont la géométrie de l'espace peut être codée dans le comportement d'un qubit dans le temps.
Ils ont commencé avec un modèle mathématique pour un seul qubit qu'un expérimentateur peut soumettre à une séquence de mesures au cours d'une période de temps donnée. Dans ce modèle – et sans supposer quoi que ce soit sur l'état initial du qubit – ils ont analysé quelles seraient les corrélations entre les résultats de telles mesures lorsqu'elles sont considérées sur différents intervalles de temps. Le processus revient un peu à analyser si ce que fait le qubit aujourd'hui est lié à ce qu'il faisait au cours des 24 heures précédentes, ou à ce qu'elle faisait au cours des 48 heures précédentes, etc.
Ils ont constaté que la structure de ces corrélations était mathématiquement similaire à l'espace tridimensionnel. Plus précisément, à partir du comportement d'un qubit à travers le temps, les chercheurs ont récupéré une formule pour mesurer les distances dans l'espace – la soi-disant «métrique euclidienne».
Veddral dit que la géométrie de l'espace dans lequel nous vivons est plus complexe que la version qu'ils ont découverte à travers leurs calculs du comportement du qubit dans le temps. Mais la récupération de la métrique euclidienne à partir d'une configuration aussi minime et sans connaissance préalable du qubit pourrait toujours être une indication que l'espace est lié au temps et aux informations quantiques. « Il est intéressant qu'un seul qubit suffit d'obtenir un espace euclidien entièrement tridimensionnel », dit-il.
Mais il y a une autre implication alléchante dans l'œuvre: ce temps est en quelque sorte séparé de l'espace, car la géométrie de ce dernier peut en être dérivée. L'espace et le temps sont généralement considérés comme des composants d'un continuum en quatre dimensions que nous connaissons sous le nom d'espace-temps, qui sous-tend notre monde physique. Les déchirer violerait les lois de la relativité spéciale d'Albert Einstein, et en tant que telle, c'est une idée controversée parmi les physiciens.
Il existe cependant d'autres chercheurs qui soutiennent que l'espace et le temps devraient être séparés. Par exemple, Lee Smolin au Perimeter Institute au Canada dit que, à son avis, le temps est plus fondamental que l'espace. Cependant, il ne pense pas que le temps existe d'une manière qui peut être capturée avec les équations de la nouvelle étude. Son hypothèse, qui n'est pas non plus courante, est que «le temps n'est pas quelque chose qui est gelé ou a besoin de structure», mais doit être compris comme une succession de moments actuels qui se produisent les uns après les autres – sans signification physique, ni connaissable, passé ou futur.
Thomas Galley à l'Institut d'optique quantique et d'informations quantiques à Vienne, en Autriche, dit qu'il peut être intuitif de penser que le temps est en quelque sorte différent de l'espace simplement parce que nous en faisons l'expérience en tant que tel. Mais une compréhension mathématique approfondie de ce que cela signifie dans le contexte des qubits est encore assez insaisissable. Par exemple, Galley souligne que la nouvelle étude, bien que intéressante, n'élucide pas un mécanisme exact par lequel l'espace émergerait du qubit et du temps. De plus, la proposition selon laquelle «Qubit plus le temps est égal à l'espace» peut ne pas être unique, car il peut s'avérer possible d'échanger le qubit contre un objet quantique plus compliqué et de toujours extraire une métrique euclidienne, explique Galley.
Veddral dit qu'il peut être possible de tester certaines de ces idées théoriques à travers des expériences à l'avenir. Les objets quantiques ultracold peuvent supposer des états de superposition comme le qubit dans le nouveau travail, tout comme les qubits physiques similaires à ceux utilisés dans les ordinateurs quantiques. Mais il est probable que de nombreuses questions mathématiques resteront – ce qui signifie que les physiciens peuvent encore débattre de la façon dont nous devons penser à l'espace-temps pour les années à venir. «Il me semble que l'espace-temps pourrait bien être une fiction, en ce sens que c'est un moyen utile et pratique pour nous de parler de choses qui se produisent dans l'univers, mais en dernière analyse, vous n'en aurez pas vraiment besoin», explique Veddral.
