De même, la nature et les expériences regorgent de distractions et d’interactions négligeables. Les scientifiques doivent donc délibérément concentrer leur attention sur les sources d’informations utiles. Par exemple, la température d'une fête bondée est le résultat de l'énergie transportée par chaque molécule de l'air, des courants d'air, des molécules de l'air captant la chaleur lorsqu'elles rebondissent sur les invités et de nombreuses autres interactions.

Mais si vous souhaitez simplement mesurer la température de la pièce, il est préférable d'utiliser un thermomètre qui vous donnera la température moyenne des particules proches plutôt que d'essayer de détecter et de suivre tout ce qui se passe à partir du niveau atomique. Quelques caractéristiques bien choisies, comme la température et la pression, sont souvent la clé pour donner un sens à un phénomène complexe.

Il est particulièrement utile pour les chercheurs de concentrer leur attention lorsqu’ils travaillent sur la physique quantique. Les scientifiques ont montré que la mécanique quantique décrit avec précision les petites particules et leurs interactions, mais les détails deviennent souvent accablants lorsque les chercheurs considèrent de nombreuses particules quantiques en interaction.

Appliquer les règles de la physique quantique à quelques dizaines de particules seulement est souvent plus que ce que n'importe quel physicien, même utilisant un superordinateur, peut suivre. Ainsi, dans la recherche quantique, les scientifiques doivent souvent identifier des caractéristiques essentielles et déterminer comment les utiliser pour extraire des informations pratiques sans se laisser enfouir dans une avalanche de détails.

Dans un article publié dans la revue Physical Review Letters en janvier 2024, Victor Galitski, boursier du JQI, et Amit Vikram, étudiant diplômé du JQI, ont identifié une nouvelle façon par laquelle les chercheurs peuvent obtenir des informations utiles sur la manière dont les informations associées à une configuration de particules sont dispersées et effectivement perdues au fil du temps. Leur technique se concentre sur une seule caractéristique qui décrit comment diverses quantités d'énergie peuvent être retenues par différentes configurations d'un système quantique.

L'approche donne un aperçu de la façon dont une collection de particules quantiques peut évoluer sans que les chercheurs aient à se débattre avec les subtilités des interactions qui font changer le système au fil du temps.

Ce résultat est issu d’un projet précédent dans lequel les deux hommes proposaient une définition du chaos pour le monde quantique. Dans ce projet, les deux hommes ont travaillé avec une équation décrivant la relation d'incertitude énergie-temps, le cousin le moins populaire du principe d'incertitude de Heisenberg pour la position et la quantité de mouvement.

Le principe d'incertitude de Heisenberg signifie qu'il y a toujours un compromis entre la précision avec laquelle vous pouvez connaître simultanément la position et l'impulsion d'une particule quantique. Le compromis décrit par la relation incertitude énergie-temps n’est pas aussi clairement défini que son cousin, les chercheurs doivent donc adapter son application à différents contextes et faire attention à la manière dont ils l’interprètent. Mais en général, cette relation signifie que connaître plus précisément l'énergie d'un état quantique augmente le temps qu'il faut à l'état pour passer à un nouvel état.

Lorsque Galitski et Vikram réfléchissaient à la relation d'incertitude entre l'énergie et le temps, ils se sont rendu compte qu'elle se prêtait naturellement à l'étude des changements dans les systèmes quantiques, même ceux comportant de nombreuses particules, sans s'enliser dans trop de détails. En utilisant cette relation, les deux hommes ont développé une approche qui utilise une seule caractéristique d'un système pour calculer la rapidité avec laquelle les informations contenues dans une collection initiale de particules quantiques peuvent se mélanger et se diffuser.

La fonctionnalité autour de laquelle ils ont construit leur méthode s’appelle le facteur de forme spectral. Il décrit les énergies que la physique quantique permet à un système de contenir et leur fréquence, comme une carte qui montre quelles énergies sont communes et lesquelles sont rares pour un système quantique particulier.

Les contours de la carte sont le résultat d’une caractéristique déterminante de la physique quantique :le fait que les particules quantiques ne peuvent être trouvées que dans certains états avec des énergies distinctes – quantifiées. Et lorsque les particules quantiques interagissent, l'énergie de l'ensemble de la combinaison est également limitée à certaines options discrètes.

Pour la plupart des systèmes quantiques, certaines des énergies autorisées ne sont possibles que pour une seule combinaison de particules, tandis que d’autres énergies peuvent résulter de nombreuses combinaisons différentes. La disponibilité des différentes configurations énergétiques dans un système façonne profondément la physique qui en résulte, faisant du facteur de forme spectral un outil précieux pour les chercheurs.

Galitski et Vikram ont adapté une formulation de la relation d'incertitude énergie-temps autour du facteur de forme spectral pour développer leur méthode. L'approche s'applique naturellement à la diffusion de l'information puisque l'information et l'énergie sont étroitement liées en physique quantique.

En étudiant cette diffusion, Galitski et Vikram ont concentré leur attention sur une question ouverte en physique appelée la conjecture du brouillage rapide, qui vise à déterminer le temps nécessaire à l'organisation d'une collection initiale de particules pour être brouillée, c'est-à-dire pour obtenir ses informations. mélangé et réparti parmi toutes les particules en interaction jusqu'à ce qu'il devienne effectivement irrécupérable.

La conjecture ne concerne pas seulement le brouillage le plus rapide possible pour un seul cas, mais plutôt la façon dont le temps nécessaire au brouillage change en fonction de la taille ou de la complexité du système.

La perte d’informations lors du brouillage quantique est similaire à la fonte d’une sculpture de glace. Supposons qu'un sculpteur épelle le mot « cygne » dans de la glace, puis le laisse distraitement dans une baignoire remplie d'eau par une journée ensoleillée. Au départ, vous pouvez lire le mot d'un seul coup d'œil. Plus tard, le « s » est tombé sur le côté et le haut du « a » est tombé, le faisant ressembler à un « u », mais vous pouvez toujours deviner avec précision ce qu'il épelait autrefois.

Mais à un moment donné, il n’y a plus qu’une flaque d’eau. Il fait peut-être encore froid, ce qui suggère qu'il y avait de la glace récemment, mais il n'y a aucun espoir pratique de savoir si la glace était une sculpture de cygne réaliste, gravée dans le mot "cygne", ou simplement un bloc de glace ennuyeux.

La durée du processus dépend à la fois de la glace et de l'environnement :peut-être quelques minutes pour un petit glaçon dans un lac ou un après-midi entier pour une pièce maîtresse de deux pieds de haut dans une petite flaque d'eau.

La sculpture de glace est comme l’information initiale contenue dans une partie des particules quantiques, et l’eau environnante est constituée de toutes les autres particules quantiques avec lesquelles elles peuvent interagir. Mais contrairement à la glace, chaque particule du monde quantique peut habiter simultanément plusieurs états, appelés superposition quantique, et peut devenir inextricablement liée entre elles par l’intrication quantique, ce qui rend la déduction de l’état d’origine encore plus difficile une fois qu’il a eu la chance de changer. /P>

Pour des raisons pratiques, Galitski et Vikram ont conçu leur technique de manière à ce qu'elle s'applique à des situations où les chercheurs ne connaissent jamais les états exacts de toutes les particules quantiques en interaction.

Leur approche fonctionne pour une gamme de cas allant de ceux où l'information est stockée dans une petite partie de toutes les particules quantiques en interaction à ceux où l'information se trouve sur une majorité de particules – depuis un glaçon dans un lac jusqu'à une sculpture dans une flaque d'eau. . Cela donne à la technique un avantage par rapport aux approches précédentes qui ne fonctionnent que pour les informations stockées sur quelques particules d'origine.

Grâce à la nouvelle technique, les deux hommes peuvent avoir un aperçu du temps nécessaire à un message quantique pour se dissoudre efficacement dans une grande variété de situations quantiques. Tant qu'ils connaissent le facteur de forme spectral, ils n'ont pas besoin de savoir autre chose.

"C'est toujours agréable de pouvoir formuler des déclarations qui supposent le moins possible, ce qui signifie qu'elles sont aussi générales que possible dans le cadre de vos hypothèses de base", explique Vikram, premier auteur de l'article. "Le petit bonus intéressant à l'heure actuelle est que le facteur de forme spectral est une quantité que nous pouvons en principe mesurer."

La capacité des chercheurs à mesurer le facteur de forme spectral leur permettra d’utiliser la technique même lorsque de nombreux détails du système restent mystérieux. Si les scientifiques ne disposent pas de suffisamment de détails pour déduire mathématiquement le facteur de forme spectral ou pour adapter une description personnalisée des particules et de leurs interactions, un facteur de forme spectral mesuré peut toujours fournir des informations précieuses.

À titre d'exemple d'application de la technique, Galitski et Vikram ont examiné un modèle quantique de brouillage appelé modèle Sachdev-Ye-Kitaev (SYK). Certains chercheurs pensent qu'il pourrait y avoir des similitudes entre le modèle SYK et la manière dont les informations sont brouillées et perdues lorsqu'elles tombent dans un trou noir.

Les résultats de Galitski et Vikram ont révélé que le temps de brouillage devenait de plus en plus long à mesure qu'ils examinaient un nombre de plus en plus grand de particules au lieu de s'installer dans des conditions qui se brouillaient aussi rapidement que possible.

"Les grandes collections de particules mettent beaucoup de temps à perdre des informations dans le reste du système", explique Vikram. "C'est quelque chose que nous pouvons obtenir de manière très simple sans rien connaître de la structure du modèle SYK, autre que son spectre énergétique. Et c'est lié aux choses auxquelles les gens ont pensé à propos des modèles simplifiés pour les trous noirs. Mais le véritable intérieur de un trou noir pourrait s'avérer être quelque chose de complètement différent que personne n'aurait imaginé."

Galitski et Vikram espèrent que de futures expériences confirmeront leurs résultats, et ils prévoient de continuer à chercher d'autres moyens de relier une caractéristique quantique générale à la dynamique résultante sans s'appuyer sur de nombreux détails spécifiques.

Eux et leurs collègues étudient également les propriétés du facteur de forme spectral que chaque système devrait satisfaire et travaillent à identifier les contraintes de brouillage qui sont universelles pour tous les systèmes quantiques.