Une nouvelle étude suggère une méthode expérimentale pour tester les aspects quantiques de la gravité sans avoir besoin d'enchevêtrer des objets massifs, ce qui pourrait faire progresser le domaine de manière significative. Crédit : Issues.fr.com
Une expérience proposée montre que l’intrication quantique n’est pas le seul moyen de tester si la gravité a une nature quantique.
La gravité fait partie de notre vie quotidienne. Pourtant, la force gravitationnelle reste mystérieuse : à ce jour, nous ne comprenons pas si sa nature ultime est géométrique, comme l’envisageait Einstein, ou si elle est régie par les lois de la mécanique quantique. Jusqu’à présent, toutes les propositions expérimentales visant à répondre à cette question reposaient sur la création du phénomène quantique d’intrication entre des masses lourdes et macroscopiques. Mais plus un objet est lourd, plus il a tendance à perdre ses caractéristiques quantiques et à devenir « classique », ce qui rend incroyablement difficile de faire en sorte qu’une masse lourde se comporte comme une particule quantique. Dans une étude publiée dans Examen physique Xdes chercheurs d'Amsterdam et d'Ulm proposent une expérience qui contourne ces problèmes.
Classique ou Quantique ?
Réussir à combiner la mécanique quantique et la physique gravitationnelle constitue l’un des principaux défis de la science moderne. D’une manière générale, les progrès dans ce domaine sont entravés par le fait que nous ne pouvons pas encore réaliser d’expériences dans des régimes dans lesquels les effets quantiques et gravitationnels sont pertinents. À un niveau plus fondamental, comme l’a dit un jour Roger Penrose, lauréat du prix Nobel, nous ne savons même pas si une théorie combinée de la gravité et de la mécanique quantique nécessitera une « quantification de la gravité » ou une « gravitation de la mécanique quantique ». En d’autres termes : la gravité est-elle fondamentalement une force quantique, dont les propriétés sont déterminées aux plus petites échelles possibles, ou est-ce une force « classique » pour laquelle une description géométrique à grande échelle suffit ? Ou est-ce encore quelque chose de différent ?
Il a toujours semblé que pour répondre à ces questions, un rôle central serait joué par le phénomène typiquement quantique de enchevêtrement. Comme le dit Ludovico Lami, physicien mathématicien à l'Université d'Amsterdam et QuSoft : « La question centrale, initialement posée par Richard Feynman en 1957, est de comprendre si le champ gravitationnel d'un objet massif peut entrer dans ce qu'on appelle superposition quantique, où il se trouverait dans plusieurs États à la fois. Avant nos travaux, l’idée principale pour résoudre cette question expérimentalement était de rechercher l’intrication induite par la gravitation – une manière par laquelle des masses distantes mais liées pourraient partager des informations quantiques. L’existence d’un tel intrication fausserait l’hypothèse selon laquelle le champ gravitationnel serait purement local et classique.
Un dessin de la balance de torsion utilisée par Henry Cavendish en 1797 pour mesurer la force de gravité. Des « oscillateurs harmoniques » similaires peuvent désormais être utilisés pour révéler le caractère quantique de la gravité.
Un angle différent
Le principal problème des propositions précédentes est que des objets massifs distants mais liés – appelés États délocalisés – sont très difficiles à créer. L’objet le plus lourd pour lequel une délocalisation quantique a été observée à ce jour est une grosse molécule, bien plus légère que la plus petite masse source dont le champ gravitationnel a été détecté, qui est juste en dessous de 100 mg – soit plus d’un milliard de milliards de fois plus lourde. Cela a repoussé tout espoir de réalisation expérimentale pendant des décennies.
Dans leur nouvel ouvrage, Lami et ses collègues d'Amsterdam et d'Ulm – le lieu de naissance d'Einstein – présentent une issue possible pour sortir de cette impasse. Ils proposent une expérience qui révélerait le caractère quantique de la gravité sans générer aucun intrication. Lami : « Nous concevons et étudions une classe d'expériences impliquant un système d'oscillateurs harmoniques massifs – par exemple, des pendules de torsion, essentiellement comme celle que Cavendish a utilisée dans sa célèbre expérience de 1797 pour mesurer la force de la force gravitationnelle. Nous établissons des limites mathématiquement rigoureuses sur certains signaux expérimentaux pour le quantisme qu'une gravité classique locale ne devrait pas être capable de surmonter. Nous avons soigneusement analysé les exigences expérimentales nécessaires pour mettre en œuvre notre proposition dans des expériences réelles et avons constaté que même si un certain degré de progrès technologique est encore nécessaire, de telles expériences pourraient bientôt être à notre portée.
Une ombre d'enchevêtrement
Étonnamment, pour analyser l’expérience, les chercheurs ont encore besoin de la machinerie mathématique de la théorie de l’intrication dans la science de l’information quantique. Comment est-ce possible? Lami : « La raison en est que, même si l’intrication n’est pas physiquement là, elle est toujours là dans l’esprit – dans un sens mathématique précis. Il suffit de cet enchevêtrement aurait pu être généré. »
L'article dans lequel Lami et ses collègues expliquent leurs conclusions a été publié cette semaine dans Physical Review X. Les chercheurs espèrent que leur article n’est qu’un début et que leur proposition aidera à concevoir des expériences susceptibles de répondre à la question fondamentale sur le caractère quantique de la gravité beaucoup plus tôt que prévu.
