Adrien Del Maestro, un physicien à l'Université du Vermont. Crédit :Josh Brown
Une équipe de scientifiques a découvert qu'une loi contrôlant le comportement bizarre des trous noirs dans l'espace est également vraie pour les atomes d'hélium froid qui peuvent être étudiés en laboratoire.
"C'est ce qu'on appelle une loi sur la zone d'intrication, " dit Adrian Del Maestro, un physicien de l'Université du Vermont qui a codirigé la recherche. Que cette loi apparaisse à la fois à la vaste échelle de l'espace et à l'échelle minuscule des atomes, "c'est bizarre, " Del Maestro dit, "Et cela indique une compréhension plus profonde de la réalité."
La nouvelle étude a été publiée le 13 mars dans la revue Physique de la nature – et cela peut être un pas vers une théorie quantique de la gravité longtemps recherchée et de nouvelles avancées dans l'informatique quantique.
A la surface
Dans les années 1970, les célèbres physiciens Stephen Hawking et Jacob Bekenstein ont découvert quelque chose d'étrange à propos des trous noirs. Ils ont calculé que lorsque la matière tombe dans l'un de ces trous sans fond dans l'espace, la quantité d'informations qu'il engloutit - ce que les scientifiques appellent son entropie - n'augmente qu'au fur et à mesure que sa surface augmente, pas son volume. Ce serait comme mesurer le nombre de dossiers qu'il y a dans un classeur en fonction de la surface du tiroir plutôt que de la profondeur du tiroir. Comme pour de nombreux aspects de la physique moderne, vérifiez votre bon sens à la porte.
"Nous avons découvert que le même type de loi est respecté pour l'information quantique dans l'hélium superfluide, " dit Del Maestro. Pour faire leur découverte, Del Maestro de l'UVM et trois collègues de l'Université de Waterloo au Canada ont d'abord créé une simulation exacte de la physique de l'hélium extrêmement froid après sa transformation d'un gaz en une forme de matière appelée superfluide :en dessous d'environ deux degrés Kelvin, les atomes d'hélium, qui montrent la double nature onde/particule découverte par Max Planck et d'autres, s'agglutinent de telle sorte que les atomes individuels ne peuvent pas être décrits indépendamment les uns des autres. Au lieu, ils forment une danse coopérative que les scientifiques appellent enchevêtrement quantique.
A l'aide de deux supercalculateurs, dont le Vermont Advanced Computing Core à UVM, les scientifiques ont exploré les interactions de soixante-quatre atomes d'hélium dans un superfluide. Ils ont découvert que la quantité d'informations quantiques intriquées partagées entre deux régions d'un conteneur - une sphère d'hélium séparée du conteneur plus grand - était déterminée par la surface de la sphère et non par son volume. Comme un holographe, il semble qu'un volume d'espace tridimensionnel soit entièrement codé sur sa surface bidimensionnelle. Comme un trou noir.
Les scientifiques ont découvert qu'une sphère d'atomes d'hélium froid (en vert) - interagissant avec un plus grand conteneur environnant du même type d'atomes (en bleu) - suit une loi physique étrange également observée dans les trous noirs. Cette découverte pointe vers une « réalité plus profonde, ", explique le physicien de l'UVM Adrian Del Maestro et pourrait être une étape vers l'utilisation de cet hélium "superfluide" comme carburant d'une nouvelle génération d'ordinateurs quantiques ultra-rapides. Crédit :Adrian Del Maestro
Cette idée avait été devinée à partir d'un principe de physique appelé "localité", mais n'avait jamais été observée auparavant dans une expérience. En utilisant une simulation numérique complète de tous les attributs de l'hélium, les scientifiques étaient, Pour la toute première fois, capable de démontrer l'existence de la loi des aires d'intrication dans un liquide quantique réel.
"L'hélium superfluide pourrait devenir une ressource importante - le carburant - pour une nouvelle génération d'ordinateurs quantiques, " dit Del Maestro, dont les travaux sont soutenus par la National Science Foundation. Mais pour exploiter son énorme potentiel de traitement de l'information, il dit, "nous devons comprendre plus profondément comment cela fonctionne."
Quartiers effrayants
Dans les années 1920, Albert Einstein a fait référence à l'enchevêtrement comme à une "action effrayante à distance". Depuis cette époque, l'intrication a été démontrée comme réelle par de nombreuses expériences de laboratoire et théoriques. Au lieu de défier la limite de vitesse maximale de l'univers - la vitesse de la lumière - ce que l'enchevêtrement semble de plus en plus montrer, c'est que notre compréhension humaine à l'échelle macro de la distance, et le temps lui-même, peut être illusoire. Une paire de particules intriquées peut avoir une communication quantique, semblant "connaître" l'état de l'autre instantanément à travers des kilomètres. Mais cette intuition mélange notre vision classique de la réalité avec une réalité quantique plus profonde dans laquelle une forme d'information - l'entropie d'intrication - est « délocalisée, " répartis dans un système, avec des millions d'états possibles, ou "superpositions, " qui ne se fixent que par l'action de mesurer. (Considérez le chat de Schrödinger, à la fois mort et vivant.)
"L'intrication est une information non classique partagée entre les parties d'un état quantique, " note Del Maestro. C'est "le trait caractéristique de la mécanique quantique le plus étranger à notre réalité classique".
Être capable de comprendre, encore moins contrôler, l'intrication quantique dans des systèmes complexes avec de nombreuses particules s'est avérée difficile. L'observation d'une loi de zone d'intrication dans cette nouvelle expérience pointe vers les liquides quantiques, comme l'hélium superfluide, comme moyen possible pour commencer à maîtriser l'enchevêtrement. Par exemple, la nouvelle étude révèle que la densité de l'hélium superfluide régule la quantité d'enchevêtrement. Cela suggère que les expériences de laboratoire et, finalement, les ordinateurs quantiques pourraient manipuler la densité d'un liquide quantique comme un « bouton possible, " Del Maestro dit, pour réguler l'enchevêtrement.
Chasse à la gravité
Et cette nouvelle recherche a des implications pour certains problèmes fondamentaux de la physique. Jusque là, l'étude de la gravité a largement défié les efforts pour la ramener sous l'égide de la mécanique quantique, mais les théoriciens continuent de chercher des connexions. "Notre théorie classique de la gravité repose sur la connaissance exacte de la forme ou de la géométrie de l'espace-temps, " Del Maestro dit, mais la mécanique quantique nécessite une incertitude sur cette forme. Un morceau du pont entre ceux-ci peut être formé par la contribution de cette nouvelle étude au "principe holographique" :hélium superfluide.
