«Le monde entier est une scène…», a écrit Shakespeare, et les physiciens ont tendance à penser de cette façon aussi. L'espace semble être la toile de fond de l'action des forces et des champs qui l'habitent mais l'espace lui-même n'est fait de rien - ou est-ce? Dernièrement, les scientifiques ont commencé à remettre en question cette pensée conventionnelle et à spéculer que l'espace - et son extension selon la relativité générale, l'espace-temps - est en fait composé de minuscules morceaux d'informations. Ces morceaux peuvent interagir pour créer l'espace-temps et donner lieu à ses propriétés, comme le concept selon lequel la courbure dans l'espace-temps provoque la gravité. Si tel est le cas, l'idée pourrait non seulement expliquer l'espace-temps, mais pourrait aider les physiciens à atteindre un objectif longtemps recherché: une théorie quantique de la gravité. qui peuvent fusionner la relativité générale et la mécanique quantique, les deux grandes théories de l'univers qui ont tendance à ne pas s'entendre.Dernièrement, l'excitation de cette possibilité a absorbé des centaines de physiciens qui se sont réunis tous les trois mois environ sous la bannière d'un projet baptisé «It from Qubit».

Le «il» dans ce cas est l'espace-temps, et le qubit (prononcé «bit de repère», de «bit quantique») représente la plus petite quantité d'informations possible - un «bit» d'ordinateur sur une échelle quantique. L'idée suggère que l'univers est construit à partir d'un code sous-jacent et qu'en déchiffrant ce code, les physiciens auront enfin un moyen de comprendre la nature quantique des événements à grande échelle dans le cosmos. La plus récente réunion It from Qubit (IfQ) a eu lieu en juillet à l'Institut Perimeter de physique théorique en Ontario, où les organisateurs attendaient environ 90 inscrits. Au lieu de cela, ils ont eu tellement d'applications qu'ils ont dû étendre pour en prendre 200 et organiser simultanément cinq sessions satellites dans d'autres universités où les scientifiques pouvaient participer à distance. «Je pense que c'est l'une des pistes de recherche les plus, sinon les plus prometteuses, vers la poursuite de la gravitation quantique», déclare Netta Engelhardt, chercheuse postdoctorale à l'Université de Princeton qui n'est pas officiellement impliquée dans cela depuis Qubit, mais qui a participé à certains des ses réunions. «Ça décolle.»

Parce que le projet implique à la fois la science des ordinateurs quantiques et l'étude de l'espace-temps et de la relativité générale, il réunit deux groupes de chercheurs qui n'ont généralement pas tendance à collaborer: les scientifiques de l'information quantique d'une part et les physiciens des hautes énergies et les théoriciens des cordes sur le autre. «Il associe deux domaines traditionnellement différents: la manière dont les informations sont stockées dans les objets quantiques et la manière dont les informations sont stockées dans l'espace et le temps», explique Vijay Balasubramanian, physicien à l'Université de Pennsylvanie, chercheur principal de l'IfQ. Il y a environ un an, la Fondation Simons, une organisation privée qui soutient la recherche en sciences et en mathématiques, a accordé une subvention pour fonder la collaboration It from Qubit et financer des physiciens pour étudier et organiser des réunions sur le sujet. Depuis, l'enthousiasme a grandi et les rencontres successives ont attiré de plus en plus de chercheurs, certains membres officiels de la collaboration financée par Simons et bien d'autres simplement intéressés par le sujet. «Ce projet aborde des questions très importantes, mais des questions très difficiles», déclare Beni Yoshida, collaborateur de l'IfQ, chercheur postdoctoral à l'Institut Périmètre. "La collaboration est nécessaire - ce n'est pas comme si une seule personne pouvait résoudre ce problème." Même les scientifiques en dehors du projet en ont pris note. «Si le lien avec la théorie de l'information quantique s'avère aussi efficace que certains le prévoient, il pourrait très bien déclencher la prochaine révolution dans notre compréhension de l'espace et du temps», déclare le théoricien des cordes Brian Greene de l'Université de Columbia, qui n'est pas impliqué dans l'IfQ. "C'est un gros problème et extrêmement excitant."

ESPACE-TEMPS ENCHEVÊTREMENT

L'idée que l'espace-temps a des bits ou est «composé» de quoi que ce soit est un départ de l'image traditionnelle selon la relativité générale. Selon la nouvelle vision, l'espace-temps, plutôt que d'être fondamental, pourrait «émerger» via les interactions de tels bits. De quoi, exactement, ces bits sont-ils faits et quel type d'informations contiennent-ils? Les scientifiques ne le savent pas. Pourtant, curieusement, «ce qui compte, ce sont les relations» entre les bits plus que les bits eux-mêmes, déclare Brian Swingle, collaborateur de l'IfQ, post-doctorant à l'Université de Stanford. «Ces relations collectives sont la source de la richesse. Ici, ce ne sont pas les mandants mais la manière dont ils s'organisent ensemble, ce qui est crucial.

La clé de cette organisation peut être l'étrange phénomène connu sous le nom d'intrication quantique - un étrange type de corrélation qui peut exister entre les particules, dans lequel les actions effectuées sur une particule peuvent affecter l'autre même lorsqu'une grande distance les sépare. «Dernièrement, une proposition absolument fascinante est que le tissu de l'espace-temps est tissé ensemble par l'intrication quantique de ce que sont les« atomes »sous-jacents de l'espace-temps», dit Balasubramanian. «C'est incroyable si c'est vrai.»

Le raisonnement derrière l'idée vient de plusieurs découvertes antérieures de physiciens, comme un article de 2006 de Shinsei Ryu et Tadashi Takayanagi montrant un lien entre l'intrication et la géométrie de l'espace-temps. S'appuyant sur ces travaux, en 2013, Juan Maldacena et Leonard Susskind ont découvert que si deux trous noirs s'emmêlaient, ils créeraient un trou de ver - un raccourci dans l'espace-temps prédit par la relativité générale.Cette découverte (surnommée ER = EPR , d'après la sténographie des physiciens pour les trous de ver et l'enchevêtrement) et d'autres comme elle suggèrent, de manière surprenante, que l'intrication - qui était censée n'impliquer aucun lien physique - peut produire des structures dans l'espace-temps.

Pour comprendre comment l'intrication peut donner naissance à l'espace-temps, les physiciens doivent d'abord mieux comprendre le fonctionnement de l'intrication. Le phénomène a semblé «effrayant», selon les mots d'Albert Einstein, depuis que lui et ses collaborateurs l'ont prédit en 1935. Récemment, les scientifiques ont étudié les divers types d'enchevêtrement qui peuvent exister. Par exemple, l'intrication conventionnelle consiste à relier une seule caractéristique (comme le spin d'une particule) en plusieurs particules du même type réparties dans l'espace. Mais on pourrait à la place enchevêtrer plusieurs particules d'un certain type à un endroit avec des particules d'un type différent au même endroit. «Ce n'est pas un enchevêtrement dans l'espace», dit Balasubramanian. «J'en suis venu à réaliser qu'il existe d'autres formes d'enchevêtrement qui s'avèrent pertinentes pour ce projet de reconstruction de l'espace-temps - l'intrication conventionnelle ne suffit pas. Les scientifiques s'attaquent également aux complexités déroutantes de l'enchevêtrement d'un plus grand nombre de particules.

Une fois que la dynamique de l'intrication sera plus claire, les scientifiques espèrent comprendre comment l'espace-temps émerge, tout comme les mouvements microscopiques des atomes dans l'air donnent naissance aux modèles complexes de la thermodynamique et du temps. «C'est un phénomène émergent - lorsque vous effectuez un zoom arrière sur quelque chose, vous voyez une image différente que vous ne sauriez pas se produire en raison de la moindre dynamique», dit Engelhardt. «C'est l'une des choses les plus fascinantes à son sujet de Qubit, car nous ne comprenons pas la dynamique quantique fondamentale d'où émerge l'espace-temps.»

HOLOGRAMMES COSMIQUES

L'objectif majeur de tout ce travail est de parvenir enfin à une théorie qui décrit la gravité d'un point de vue quantique.Pourtant, les physiciens poursuivant cet objectif ont été bloqués pendant un siècle jusqu'à présent - Einstein lui-même a poursuivi une telle théorie avec obstination jusqu'à sa mort, sans succès. Les scientifiques It de Qubit misent sur une idée connue sous le nom de principe holographique pour les aider.

Ce principe suggère que certaines théories physiques sont équivalentes à des théories plus simples qui fonctionnent dans un univers de dimension inférieure, de la même manière qu'une carte postale 2D avec un hologramme d'une licorne dessus peut contenir toutes les informations nécessaires pour décrire et représenter le Forme 3D de la licorne. Parce qu'il est si difficile de trouver une théorie fonctionnelle de la gravitation quantique, la pensée va, les physiciens pourraient chercher à découvrir une théorie équivalente, plus facile à travailler, qui opère dans un univers avec moins de dimensions que le nôtre.

L'un des modes de réalisation les plus réussis du principe holographique est une découverte connue sous le nom de correspondance AdS / CFT , trouvée par Maldacena en 1997 dans le cadre de la théorie des cordes. La théorie des cordes, elle-même une tentative de théorie de la gravité quantique, remplace toutes les particules fondamentales de la nature par de minuscules cordes vibrantes. Dans la correspondance AdS / CFT, Maldacena a montré que l'on peut décrire complètement un trou noir uniquement en décrivant ce qui se passe à sa surface.En d'autres termes, la physique de l'intérieur - le «volume» 3-D - correspond parfaitement à la physique de l'extérieur - la «frontière» 2-D.

AdS / CFT pourrait permettre aux physiciens de découvrir une théorie qui équivaut à la gravité quantique, accomplit tous les mêmes objectifs et peut décrire la même physique, mais c'est beaucoup plus facile à utiliser - en laissant de côté la gravité.«Les théories avec gravité sont très difficiles à obtenir des descriptions quantiques, alors que les théories sans gravité sont beaucoup plus faciles à décrire complètement», dit Balasubramanian. Mais comment, pourrait-on se demander, une théorie qui laisse de côté la gravité pourrait-elle être une théorie de la «gravité quantique»? Peut-être que ce que nous considérons comme la gravité et l'espace-temps n'est qu'une autre façon de regarder le produit final de l'intrication - en d'autres termes, l'intrication pourrait d'une manière ou d'une autre encoder les informations de la masse 3-D en bits stockés sur la frontière 2-D. «C'est une direction très excitante», ajoute-t-il.

Au cours des 20 dernières années, les scientifiques ont constaté que la correspondance AdS / CFT fonctionne - une théorie 2D peut décrire une situation 3D - mais ils ne comprennent pas entièrement pourquoi. «Nous savons que ces deux théories sont doubles, mais on ne sait pas exactement ce qui fait fonctionner la dualité», dit Swingle. «Un résultat [d'IfQ] que vous pourriez espérer est une théorie sur la façon dont ces dualités surviennent. Je pense que c'est quelque chose qui peut et se produira certainement à la suite de cette collaboration ou du moins de progrès majeurs dans ce sens.

La théorie de l'information quantique peut être utile car il s'avère qu'un concept familier de ce domaine, les codes de correction d'erreur quantique, pourrait être à l'œuvre dans la correspondance AdS / CFT. Dans les ordinateurs quantiques, les codes de correction d'erreur quantique sont une méthode conçue par les scientifiques pour aider à empêcher la perte d'informations si l'intrication entre des bits particuliers est rompue. Plutôt que d'utiliser des bits uniques pour coder les informations, les ordinateurs quantiques utilisent des états très intriqués de plusieurs bits pour remplacer chaque bit, de sorte qu'une seule erreur ne peut pas affecter le bit global. «Il existe une structure mathématique sous-jacente qui semble être commune aux codes de correction d'erreurs et à AdS / CFT», explique Dorit Aharonov, chercheuse principale de l'IfQ à l'Université hébraïque de Jérusalem, spécialiste de l'information quantique. Dans les ordinateurs, cette redondance est utilisée pour corriger les erreurs, mais dans AdS / CFT, il peut être en mesure de coder la physique globale dans un état intriqué sur la frontière. «Il est très fascinant de trouver des codes de correction d'erreur quantique à l'intérieur des trous noirs», dit-elle. «Pourquoi diable cela arriverait-il? Ces connexions sont tout simplement fascinantes.

Si les physiciens finissent par comprendre le fonctionnement de la correspondance AdS / CFT - et proposent une théorie de dimension inférieure qui remplace la gravité quantique - ils ne sont toujours pas libres. La correspondance elle-même ne fonctionne que dans un «modèle de jouet» de l'univers qui est quelque peu simplifié à partir du cosmos pleinement réalisé dans lequel nous habitons. «AdS / CFT a une sorte de gravité, mais ce n'est pas la théorie de la gravité dans un univers en expansion comme celui dans lequel nous vivons», déclare Swingle. «Il décrit un univers comme s'il était dans une bouteille - si vous faites briller un faisceau lumineux, il rebondit sur les murs de l'espace. Cela ne se produit pas dans notre univers en expansion. » Ce modèle offre aux physiciens un terrain de jeu théorique utile pour tester leurs idées, où l'image simplifiée facilite la lutte contre la gravité quantique. «Vous pouvez espérer que c'est une étape utile dans le but final de comprendre la gravité dans notre propre univers», explique Swingle.

Certains sceptiques se demandent à quel point l'IfQ peut être productif s'il repose sur une base irréaliste. «C'est certainement une critique très valable: pourquoi nous concentrons-nous sur ce modèle de jouet?» Dit Engelhardt. «Tout cela dépend de la validité du modèle de jouet et de l'idée qu'en fin de compte, le modèle de jouet est représentatif de notre univers. Je voudrais m'assurer que si nous comprenons le modèle de jouet, nous comprenons la vraie affaire. »

LA RÉCOMPENSE

Indépendamment du fait que cela de Qubit atteindra finalement le Saint Graal d'une théorie unifiée, les scientifiques à l'intérieur et à l'extérieur du projet disent que l'approche vaut la peine d'être essayée et ouvre déjà de nombreuses nouvelles voies à poursuivre. «J'ai longtemps pensé que la relation entre l'information quantique et la gravité quantique était d'une importance fondamentale», déclare Raphael Bousso, physicien à l'Université de Californie à Berkeley, qui n'est pas impliqué dans l'IfQ mais a travaillé avec certains de ses collaborateurs. «Le lien s'est approfondi au fil des ans et je suis ravi que tant de scientifiques exceptionnels travaillent maintenant ensemble pour affronter ces questions et voir où elles nous mènent.» La théoricienne de l'Université de Stanford, Eva Silverstein, qui ne fait pas partie de la collaboration, est d'accord. «Il est clairement intéressant de développer et d'appliquer des informations quantiques à ces problèmes. Mais pour comprendre la dynamique [de la gravité quantique], il faut beaucoup plus, et il est important que le domaine ne se concentre pas trop étroitement sur une seule approche.

De plus, même si le projet ne porte pas ses fruits avec une théorie de la gravitation quantique, il est susceptible d'avoir des ramifications bénéfiques. Apporter les techniques et les idées de la théorie des cordes et de la relativité générale aux questions d'information quantique peut, par exemple, aider à mieux définir les différents types d'intrication qui peuvent exister, à la fois pour comprendre l'espace-temps et pour construire des ordinateurs quantiques. «Lorsque vous commencez à jouer avec ces outils dans un nouveau contexte, il est très probable que cela soulève des idées intéressantes et qui pourraient être utiles dans d'autres domaines», déclare Aharonov. «Il semble que les gens progressent sur des questions qui existent depuis de très nombreuses années, donc c'est passionnant.» Par exemple, les scientifiques ont découvert qu'il était possible de mesurer le temps dans les trous de ver en considérant le trou de ver comme un circuit quantique.

En outre, la combinaison de la science de l'information quantique avec la théorie des cordes peut aider non seulement à dériver une théorie de la gravité quantique, mais aussi à évaluer toute théorie trouvée par les chercheurs. «Une question cruciale que nous poserions - une fois que nous parvenons réellement à proposer une théorie physique suffisamment détaillée de la gravité quantique - est quelle est la puissance de calcul de ce modèle?» Dit Aharonov. Toute théorie physique peut être considérée comme un modèle de calcul, ses entrées et ses sorties s'apparentant à l'état initial de la théorie et à un état ultérieur qui peut être mesuré - et tout modèle de calcul a une puissance de calcul. «Si cette puissance est trop grande, si notre modèle de gravité quantique était capable de calculer des choses que nous ne croyons pas pouvoir être calculées dans notre monde, cela soulèverait au moins un point d'interrogation sur la théorie. C'est une façon de dire si la théorie est sensée ou non d'un point de vue différent.

Le projet rappelle à certains physiciens les jours grisants du passé où d'autres grandes idées ne faisaient que commencer.«Je suis devenu étudiant diplômé en 1984 lorsque la soi-disant« première révolution de la théorie des cordes »a eu lieu», explique Hirosi Ooguri, physicien au California Institute of Technology qui travaille sur l'IfQ. «Ce fut une période très excitante où la théorie des cordes est apparue comme un candidat de premier plan pour une théorie unifiée de toutes les forces de la nature. Je vois l'explosion actuelle d'excitation autour de cela de la même manière. C'est clairement une période passionnante pour les jeunes du domaine ainsi que pour ceux d'entre nous qui ont obtenu notre doctorat il y a des décennies.