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Les horloges deviennent quantiques

En ces temps d’incertitude, Flaminia Giacomini, postdoctorante à l’Institut Périmètre, introduit davantage d’incertitude à propos du temps. Les citations de cet article sont traduites d’une entrevue qu’elle a accordée en anglais.

Perimeter postdoctoral researcher Flaminia Giacomini

« Il y a un problème avec le temps. »

Voilà comment Flaminia Giacomini, postdoctorante à l’Institut Périmètre, résume l’idée principale qui sous-tend ses recherches.

De fait, Mme Giacomini et ses collègues ont récemment découvert que lorsque l’on combine les idées de la physique quantique et de la gravitation à propos du temps, celui-ci peut devenir incertain. Les événements peuvent ne pas se produire à des moments précis, et l’ordre dans lequel ils surviennent peut être mis en doute.

C’est comme si chaque tic-tac d’une horloge correspondait à une courbe incertaine et non à un point précis. Un moment dans le temps devient aussi ambigu et probabiliste que l’emplacement d’une particule quantique.

Deux théories sur le temps

Ces nouveaux travaux commencent comme une grande partie de la physique moderne : avec le constat désolant que nous n’avons pas une, mais deux théories de l’univers. Il y a la généralisation de la mécanique quantique, que l’on appelle physique quantique, et la théorie de la gravitation d’Einstein, appelée relativité générale. Elles sont notoirement difficiles à combiner, en partie parce qu’elles reposent sur des idées différentes. Et la notion de temps est l’une d’entre elles.

Le temps quantique est en réalité le plus simple des deux : à l’échelle quantique, le temps s’écoule de manière fiable dans son contexte, et la mesure du temps implique simplement de regarder la bonne horloge.

Les choses sont plus complexes avec la relativité.

« Dans la relativité générale, le temps est dynamique », dit Mme Giacomini. Autrement dit, dans la relativité générale, une horloge est influencée par ce qui l’entoure. Plus précisément, le temps s’incurve et s’étire au voisinage d’objets dotés d’une masse. Lorsque des horloges passent au voisinage d’un tel objet, les choses peuvent devenir confuses. Comme dit Mme Giacomini : « On peut avoir plusieurs horloges ayant des trajectoires différentes, et elles n’avanceront pas de la même manière.

« Lorsque l’on met ces deux idées ensemble, poursuit-elle, il y a un problème. »

Le temps devient incertain

Flaminia Giacomini s’est jointe à l’Institut Périmètre en octobre 2019 comme nouvelle boursière Yvonne-Choquet-Bruhat. Auparavant, alors qu’elle était doctorante à l’Université de Vienne, elle et ses collègues ont élaboré un formalisme décrivant ce qui arrive à des horloges physiques lorsqu’elles s’approchent d’objets dont la position est quantique et incertaine. Les chercheurs en sont arrivés à une conclusion étonnante : le temps lui-même devient incertain.

Leur article est récemment paru dans la prestigieuse revue Nature Communications.

Mme Giacomini décrit étape par étape l’expérience de la pensée imaginée par son équipe. Dans un premier temps, les chercheurs ont considéré ce qui arrive lorsque des horloges physiques sont placées dans un champ gravitationnel. Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, une horloge avance plus lentement si elle est placée près d’un objet massif tel qu’une planète ou une étoile. « Plus près veut dire plus lent, dit-elle. Plus une horloge est proche de la masse, plus elle avance lentement. »

L’équipe a ensuite ajouté la perspective quantique. En physique quantique, une particule peut avoir une position incertaine : jusqu’à ce qu’on la mesure, elle n’est pas dans une position précise, mais dans une gamme de positions possibles. Si l’on plaçait une horloge près d’une particule massive dont la position est ainsi incertaine, le rythme auquel l’horloge avance deviendrait lui aussi incertain.

Si l’on ajoute une seconde horloge, les choses deviennent carrément étranges. Non seulement les deux horloges donneront des moments différents pour un même événement, mais elles ne s’entendront même pas pour dire si l’événement survient à un moment précis ou non.

Les travaux révolutionnaires de Mme Giacomini obligent les physiciens à revoir leur notion selon laquelle un événement survient à un point précis dans le temps. Ses travaux étendent les concepts standard pour inclure des événements qui ne peuvent pas être — en langage technique — « localisés dans le temps ».

Les implications de cette expérience de la pensée remettent en question des idées fondamentales sur l’écoulement du temps et la causalité. Le tic-tac d’une horloge peut survenir à la fois avant et après le tic-tac d’une autre. Des événements ne peuvent plus être ordonnés d’une manière définie.

Cadres de référence

À l’Institut Périmètre, Mme Giacomini compte étudier comment le fait de tenir compte du cadre de référence de l’observateur pourrait contribuer à résoudre ou à éclairer l’apparente incertitude du temps.

Un cadre de référence indique, par exemple, si quelqu’un qui a une horloge se trouve à bord d’un vaisseau spatial se déplaçant à grande vitesse ou s’il regarde passer le vaisseau en question. Dans la relativité générale, il est toujours possible d’ignorer la courbure de l’espace-temps, à condition de choisir le bon cadre de référence local. L’équipe de Vienne a découvert qu’avec le bon cadre de référence, le temps peut à nouveau sembler précis.

À Vienne, Mme Giacomini a travaillé à l’élaboration du formalisme qui permet d’entrer dans de tels cadres de référence et d’en sortir, ce qui n’est pas facile parce que les relations entre différents cadres de référence quantiques créent aussi de l’incertitude. À l’Institut Périmètre, Mme Giacomini va encore plus loin dans ce sens. Elle veut faire de ces cadres de référence une « superposition d’espaces-temps ». Autrement dit, elle conçoit un cadre de référence qui est à la fois ici et là, à la fois avant et après.

C’est une entreprise difficile, mais qui rapporte beaucoup.

« Nous arrivons rapidement à des questions très profondes sur la nature du monde dans lequel nous vivons », dit-elle.

Ce n’est que l’un parmi plusieurs projets sur lesquels elle travaille. « Il y en a probablement trop, dit-elle. Mes recherches se situent à la jonction de différents domaines : un peu de fondements quantiques, un peu d’information quantique relativiste, un peu de relativité générale. »

Cette combinaison signifie que Flaminia Giacomini est à sa place à l’Institut Périmètre.

« J’aime le caractère très interdisciplinaire de l’Institut Périmètre, dit-elle. C’est l’une des choses que j’apprécie le plus, mais qui peut parfois poser des problèmes dans mon domaine de recherche. J’aime interagir avec des scientifiques venant d’horizons diversifiés et approfondir mes propres recherches en les enrichissant grâce à l’expertise de tant de gens différents. J’aime beaucoup cela. »

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