Les trous de ver sont un trope classique de la science-fiction dans les médias populaires, ne serait-ce que parce qu’ils fournissent un dispositif d’intrigue futuriste si pratique pour éviter le problème de la violation de la relativité avec un voyage plus rapide que la lumière. En réalité, ils sont purement théoriques. Contrairement aux trous noirs – également considérés comme purement théoriques – aucune preuve d’un véritable trou de ver n’a jamais été trouvée, bien qu’ils soient fascinants d’un point de vue physique théorique abstrait. Vous pourriez être pardonné de penser que le statut non découvert avait changé si vous ne lisiez que les gros titres cette semaine annonçant que les physiciens avaient utilisé un ordinateur quantique pour créer un trou de ver, faisant état d’un nouvel article publié dans Nature.
Mettons tout de suite les pendules à l’heure : il ne s’agit pas d’un véritable trou de ver traversable, c’est-à-dire d’un pont entre deux régions de l’espace-temps reliant l’embouchure d’un trou noir à un autre, à travers lequel un objet physique peut passer, dans n’importe quel environnement physique réel. sens. “Il y a une différence entre quelque chose qui est possible en principe et possible dans la réalité”, a déclaré le co-auteur Joseph Lykken du Fermilab lors d’un point de presse cette semaine. “Alors ne retenez pas votre souffle à propos d’envoyer votre chien à travers un trou de ver.” Mais c’est toujours une expérience assez intelligente et astucieuse en soi qui fournit une preuve de principe alléchante aux types d’expériences de physique à l’échelle quantique qui pourraient être possibles à mesure que les ordinateurs quantiques continuent de s’améliorer.
“Ce n’est pas la vraie chose ; ce n’est même pas proche de la réalité ; c’est à peine une simulation de quelque chose qui n’est pas proche de la réalité”, a écrit le physicien Matt Strassler sur son blog. “Cette méthode pourrait-elle conduire à une simulation d’un vrai trou de ver un jour ? Peut-être dans un futur lointain. Pourrait-elle conduire à la création d’un vrai trou de ver ? Jamais. Ne vous méprenez pas. Ce qu’ils ont fait est plutôt cool ! Mais le battage médiatique dans le presse ? Extravagante, spectaculairement exagérée.
Alors, quelle est cette chose qui a été “créée” dans un ordinateur quantique si ce n’est pas un véritable trou de ver ? Un analogique ? Un modèle de jouet? La co-auteure Maria Spiropulu de Caltech l’a qualifié de nouveau “protocole de téléportation de trou de ver” lors du briefing. On pourrait appeler cela une simulation, mais comme Strassler l’a écrit, ce n’est pas tout à fait vrai non plus. Les physiciens ont simulé des trous de ver sur des ordinateurs classiques, mais aucun système physique n’est créé dans ces simulations. C’est pourquoi les auteurs préfèrent le terme “expérience quantique”, car ils ont pu utiliser l’ordinateur quantique Sycamore de Google pour créer un système quantique hautement intriqué et effectuer des mesures directes de propriétés clés spécifiques. Ces propriétés sont cohérentes avec les descriptions théoriques de la dynamique d’un trou de ver traversable, mais uniquement dans un modèle théorique simplifié spécial de l’espace-temps.
Lykken l’a décrit au New York Times comme “le trou de ver le plus petit et le plus minable que vous puissiez imaginer faire”. Même alors, peut-être qu’une “collection d’atomes avec certaines propriétés de type trou de ver” pourrait être plus précise. Ce qui rend cette percée si intrigante et potentiellement significative, c’est la façon dont l’expérience s’appuie sur certains des travaux récents les plus influents et les plus passionnants de la physique théorique. Mais pour saisir précisément ce qui a été fait et pourquoi c’est important, nous devons faire un voyage quelque peu sinueux à travers des idées abstraites assez capiteuses s’étendant sur près d’un siècle.
APS/Alan Stonebraker
Revisiter le principe holographique
Commençons par ce qu’on appelle communément le principe holographique. Comme je l’ai écrit précédemment, il y a près de 30 ans, les physiciens théoriciens ont introduit la théorie hallucinante selon laquelle notre univers tridimensionnel est en fait un hologramme. Le principe holographique a commencé comme une solution proposée au paradoxe de l’information du trou noir dans les années 1990. Les trous noirs, tels que décrits par la relativité générale, sont des objets simples. Tout ce dont vous avez besoin pour les décrire mathématiquement, c’est leur masse et leur spin, plus leur charge électrique. Il n’y aurait donc aucun changement notable si vous jetiez quelque chose dans un trou noir – rien qui ne fournirait un indice sur ce que cet objet aurait pu être. Cette information est perdue.
Mais des problèmes surgissent lorsque la gravité quantique entre en jeu car les règles de la mécanique quantique stipulent que l’information ne peut jamais être détruite. Et en mécanique quantique, les trous noirs sont des objets incroyablement complexes et devraient donc contenir une grande quantité d’informations. Jacob Bekenstein s’est rendu compte en 1974 que les trous noirs avaient aussi de l’entropie. Stephen Hawking a essayé de lui prouver le contraire mais a fini par lui donner raison, concluant que les trous noirs devaient donc produire une sorte de rayonnement thermique.
Les trous noirs doivent donc également avoir une entropie, et Hawking a été le premier à calculer cette entropie. Il a également introduit la notion de “rayonnement de Hawking”: Le trou noir émettra un tout petit peu d’énergie, diminuant sa masse d’une quantité correspondante. Au fil du temps, le trou noir s’évaporera. Plus le trou noir est petit, plus il disparaît rapidement. Mais qu’advient-il alors des informations qu’il contient ? Est-il vraiment détruit, violant ainsi la mécanique quantique, ou est-il en quelque sorte préservé dans le rayonnement de Hawking ?
Selon le principe holographique, les informations sur l’intérieur d’un trou noir pourraient être encodées sur sa surface bidimensionnelle (la « frontière ») plutôt que dans son volume tridimensionnel (le « volume »). Leonard Susskind et Gerard ‘t Hooft ont étendu cette notion à l’univers entier, en l’assimilant à un hologramme : notre univers tridimensionnel dans toute sa splendeur émerge d’un « code source » bidimensionnel.
Juan Maldacena a ensuite découvert une dualité cruciale, techniquement connue sous le nom de correspondance AdS/CFT, qui équivaut à un dictionnaire mathématique permettant aux physiciens d’aller et venir entre les langages de deux mondes théoriques (la relativité générale et la mécanique quantique). Les dualités en physique font référence à des modèles qui semblent différents mais dont on peut montrer qu’ils décrivent une physique équivalente. C’est un peu comme la glace, l’eau et la vapeur qui sont trois phases différentes de la même substance chimique, sauf qu’une dualité regarde le même phénomène de deux manières différentes qui sont inversement liées. Dans le cas d’AdS/CFT, la dualité se situe entre un modèle d’espace-temps connu sous le nom d’espace anti-de Sitter (AdS) – qui a une courbure négative constante, contrairement à notre propre univers de Sitter – et un système quantique appelé théorie des champs conformes (CFT ), qui manque de gravité mais a une intrication quantique.
C’est cette notion de dualité qui explique la confusion des trous de ver. Comme indiqué ci-dessus, les auteurs de l’article de Nature n’ont pas créé de trou de ver physique – ils ont manipulé des particules quantiques intriquées dans un espace-temps plat ordinaire. Mais ce système est supposé avoir une double description comme un trou de ver.
