Les scientifiques ont développé une expérience quantique qui leur permet d’étudier la dynamique des trous de ver, les objets théoriques de l’espace-temps apparus pour la première fois dans la théorie de la gravité d’Albert Einstein en 1915, ou relativité générale.

Au lieu de créer un véritable trou de ver, un écart dans le temps et l’espace censé former un pont entre une région éloignée de l’espace et une autre, l’équipe a créé un modèle de trou de ver à exécuter sur un processeur quantique. Cela leur a permis d’explorer la physique des trous de ver et leur lien potentiel avec la soi-disant « gravité quantique ».

« Nous avons découvert un système quantique qui présente les propriétés clés d’un trou de ver gravitationnel, mais qui est suffisamment petit pour être mis en œuvre sur du matériel quantique moderne », a déclaré Maria Spiropoulou, chercheuse principale du programme de recherche scientifique du Département américain de l’énergie sur la communication quantique. Canaux de Physique Fondamentale (QCCFP). dans un rapport (s’ouvrira dans un nouvel onglet). « Ce travail représente une étape vers un plus grand programme de test de physique de la gravité quantique utilisant un ordinateur quantique. »

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La co-auteure Samantha Davis, étudiante diplômée à Caltech, a déclaré dans un communiqué qu’il avait fallu « très longtemps pour obtenir des résultats » et que l’équipe a été surprise par le résultat, ce qui suggère que le comportement de type trou de ver peut être expliqué. . du point de vue de la physique quantique et de la relativité générale.

Spiropoulou, également professeur de physique Shang-Yi Chen au California Institute of Technology, a ajouté que bien que ce nouveau modèle ne remplace pas la recherche directe sur la gravité quantique, il offre un moyen puissant d’explorer les idées de gravité quantique dans l’espace. laboratoire

La théorie de la relativité générale d’Einstein est la meilleure description de l’univers à une échelle vraiment énorme dont disposent les scientifiques, et la physique quantique est l’image la plus précise du monde subatomique. Le problème est que, aussi forts que soient ces deux domaines de la physique depuis leur création au début du XXe siècle, ils ne se rejoignent pas.

Cela est dû au fait qu’il n’y a pas de description de la gravité à l’échelle de la physique quantique, et pourtant la gravité est la tâche principale de la théorie générale de la relativité. Cela fait de la découverte d’une «théorie quantique de la gravité» une tâche urgente pour les physiciens et la clé d’une «théorie du tout» tant attendue en physique.

La création par l’équipe d’un trou de ver quantique pourrait être un pas dans la bonne direction dans cette quête.

Les scientifiques ont émis des théories sur les trous de ver depuis 1935, quand Albert Einstein a pris ses équations de la relativité générale de 1915 et, avec le physicien américano-israélien Nathan Rosen, les a décrites comme des tunnels dans le tissu même de l’espace-temps.

Surnommés « les ponts Einstein-Rosen », ces tunnels spatio-temporels ont ensuite été nommés trous de ver par l’expert en trous noirs John Wheeler dans les années 1950.

Dans cette illustration, le trou noir supermassif au centre est entouré de matière s’écoulant dans le trou noir dans ce qu’on appelle un disque d’accrétion. (Crédit image : NASA/JPL-Caltech)

En 2013, un lien a été établi entre les trous de ver et l’intrication, un élément de la physique quantique qui suggère que deux particules peuvent être connectées de telle sorte que changer l’une change instantanément l’autre, quelle que soit leur distance, même si elles sont situées. sur les côtés opposés. côtés de l’univers les uns des autres.

Les physiciens Juan Maldacena et Leonard Susskind ont relié les deux mondes disparates de la relativité générale et de la physique quantique lorsqu’ils ont proposé que les trous de ver équivalent à l’intrication dans le sens où les deux décrivent la connexion entre des régions éloignées de l’univers. « C’était une idée très audacieuse et poétique », a déclaré Spiropoulou.

En 2017, l’idée avancée par Maldacena et Susskind a été développée par le physicien de l’Université Harvard Daniel Jafferis, co-auteur de l’étude actuelle, et ses collègues.

Ils ont développé le concept selon lequel l’énergie répulsive négative maintient le trou de ver ouvert assez longtemps pour que quelque chose passe d’un bout à l’autre, créant ainsi un trou de ver traversant.

Le concept d’un trou de ver traversable était similaire à une autre caractéristique de la physique quantique, la téléportation quantique, qui utilise les principes de l’intrication pour transmettre des informations sur de grandes distances via la fibre optique ou par voie aérienne.

Cette recherche actuelle examine le lien potentiel entre les trous de ver et la téléportation quantique et l’explore plus en détail alors qu’une équipe dirigée par le California Institute of Technology mène les premières expériences qui explorent l’idée que l’information voyageant d’un point de l’espace à un autre peut être décrite soit en utilisant le langage, la gravité est établie par la relativité générale ou l’intrication quantique, le langage de la physique quantique.

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Les scientifiques appellent les points d’entrée et de sortie du trou de ver « bouche » et le tunnel lui-même – « gorge ». (Crédit image : Victor Habbick Visions/Science Photo Library via Getty Images)

L’équipe a commencé par développer le système quantique pour enfants Sachdev-E-Kitaev (SYK) et l’a associé à un autre système SYK, ce qui a donné un modèle qui préserve les propriétés gravitationnelles.

Ce modèle a ensuite été réduit à une forme simplifiée en utilisant l’apprentissage automatique sur des ordinateurs conventionnels, après quoi les scientifiques ont pu observer une dynamique de type trou de ver sur le processeur quantique Sycamore de Google.

« Nous avons utilisé des méthodes d’apprentissage pour trouver et préparer un système quantique simple de type SYK qui pourrait être encodé dans des architectures quantiques modernes et qui préserverait les propriétés gravitationnelles », a déclaré Spiropoulou. « En d’autres termes, nous avons simplifié la description microscopique du système quantique SYK et étudié le modèle efficace résultant que nous avons trouvé sur le processeur quantique. »

Grâce à l’expérience, l’équipe a introduit le qubit, l’unité de base de l’informatique quantique, équivalente à un bit standard dans l’informatique traditionnelle, à l’un des SYK. Ils ont ensuite regardé les informations apparaître sur un autre SPK.

Cela signifiait que les informations se déplaçaient d’un système quantique à un autre au moyen de la téléportation quantique dans le langage de la physique quantique. Cependant, dans le langage de la gravité, cela représentait un voyage à travers un trou de ver traversable.

Les principales caractéristiques d’un trou de ver traversable ne sont apparues que lorsque l’équipe a tenté d’ouvrir son modèle de pont dans l’espace-temps en utilisant des impulsions d’énergie négative répulsive. Cela reflète la façon dont les vrais trous de ver devraient se comporter dans les profondeurs de l’espace s’ils sont découverts.

Le test de l’équipe était le premier du genre et n’a été rendu possible qu’en utilisant le processeur quantique de haute précision de Google.

« Si le taux d’erreur était supérieur de 50 %, le signal serait complètement obscurci. S’ils étaient moitié moins gros, nous obtiendrions un signal 10 fois plus grand ! dit Spiropoulou. « Il est curieux et surprenant de voir comment l’optimisation d’une caractéristique du modèle a préservé d’autres indicateurs. Nous prévoyons de mener des tests supplémentaires pour mieux comprendre le modèle lui-même.

Ces futurs tests comprendront le portage du travail sur des circuits quantiques encore plus complexes – bien que cela puisse prendre des années avant que des ordinateurs quantiques à part entière ne soient disponibles.

« La relation entre l’intrication quantique, l’espace-temps et la gravité quantique est l’une des questions les plus importantes de la physique fondamentale et un domaine actif de la recherche théorique », a conclu Spiropoulou. « Nous sommes ravis de faire ce petit pas vers le test de ces idées sur du matériel quantique et nous continuerons à le faire. »

Les recherches de l’équipe seront publiées jeudi 1er décembre dans la revue Nature.

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