Les simulations de « voyage dans le temps en arrière » peuvent améliorer les expériences scientifiques.

12 octobre 2023

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par Université de Cambridge

Les physiciens ont montré que la simulation de modèles de voyage dans le temps hypothétiques peut résoudre des problèmes expérimentaux qui semblent impossibles à résoudre à l'aide de la physique standard.

Si les joueurs, les investisseurs et les expérimentateurs quantiques pouvaient plier la flèche du temps, leur avantage serait considérablement plus élevé, entraînant des résultats nettement meilleurs.

Des chercheurs de l'Université de Cambridge ont montré que, en manipulant l'entrelacement - une caractéristique de la théorie quantique qui cause une intrication des particules - ils peuvent simuler ce qui pourrait se produire si l'on pouvait remonter dans le temps. Ainsi, les joueurs, les investisseurs et les expérimentateurs quantiques pourraient, dans certains cas, modifier rétroactivement leurs actions passées et améliorer leurs résultats dans le présent.

La question de savoir si les particules peuvent voyager dans le temps est un sujet controversé parmi les physiciens, même si les scientifiques ont déjà simulé des modèles de comportement de ces boucles d'espace-temps s'ils existaient. En reliant leur nouvelle théorie à la métrologie quantique, qui utilise la théorie quantique pour effectuer des mesures très sensibles, l'équipe de Cambridge a montré que l'entrelacement peut résoudre des problèmes qui semblent autrement impossibles.

L'étude est publiée dans Physical Review Letters.

"Imaginez que vous voulez envoyer un cadeau à quelqu'un : vous devez l'envoyer le premier jour pour vous assurer qu'il arrive le troisième jour", explique l'auteur principal David Arvidsson-Shukur, du Cambridge Hitachi Laboratory. "Cependant, vous ne recevez la liste des souhaits de cette personne que le deuxième jour. Dans ce scénario respectant la chronologie, il est impossible pour vous de savoir à l'avance ce qu'elle voudra comme cadeau et de vous assurer d'envoyer le bon."

"Maintenant, imaginez que vous puissiez changer ce que vous envoyez le premier jour avec les informations de la liste des souhaits reçue le deuxième jour. Notre simulation utilise la manipulation de l'entrelacement quantique pour montrer comment vous pourriez changer rétroactivement vos actions antérieures pour vous assurer que le résultat final est celui que vous voulez."

La simulation est basée sur l'entrelacement quantique, qui se compose de corrélations fortes que les particules quantiques peuvent partager et que les particules classiques - celles régies par la physique quotidienne - ne peuvent pas partager.

La particularité de la physique quantique est que si deux particules sont suffisamment proches l'une de l'autre pour interagir, elles peuvent rester connectées même lorsqu'elles sont séparées. C'est la base de l'informatique quantique - l'utilisation de particules connectées pour effectuer des calculs trop complexes pour les ordinateurs classiques.

"Dans notre proposition, un expérimentateur entrelace deux particules", explique Nicole Yunger Halpern, co-auteure et chercheuse à l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) et à l'Université du Maryland. "La première particule est ensuite utilisée dans une expérience. Après avoir obtenu de nouvelles informations, l'expérimentateur manipule la deuxième particule pour modifier efficacement l'état passé de la première particule, changeant ainsi le résultat de l'expérience."

"L'effet est remarquable, mais il ne se produit qu'une fois sur quatre", déclare Arvidsson-Shukur. "En d'autres termes, la simulation a 75% de chances d'échouer. Mais la bonne nouvelle, c'est que vous savez si vous avez échoué. Si nous restons dans notre analogie de cadeau, une fois sur quatre, le cadeau sera celui souhaité (par exemple, un pantalon), une autre fois, ce sera un pantalon mais de la mauvaise taille, ou de la mauvaise couleur, ou ce sera une veste."

Pour donner de la pertinence à leur modèle en termes de technologies, les théoriciens l'ont relié à la métrologie quantique. Dans une expérience courante de métrologie quantique, des photons - de petites particules de lumière - sont projetés sur un échantillon d'intérêt, puis enregistrés avec un type spécial de caméra. Pour que cette expérience soit efficace, les photons doivent être préparés d'une certaine manière avant d'atteindre l'échantillon.

Les chercheurs ont montré que même s'ils apprennent comment préparer au mieux les photons seulement après que les photons ont atteint l'échantillon, ils peuvent utiliser des simulations de voyage dans le temps pour changer rétroactivement les photons d'origine.

Pour contrer la forte probabilité d'échec, les théoriciens proposent d'envoyer un grand nombre de photons entrelacés, sachant que certains finiront par transporter les bonnes informations mises à jour. Ensuite, ils utiliseraient un filtre pour s'assurer que seuls les bons photons passent à travers la caméra, tandis que le filtre rejette le reste des "mauvais" photons.

'Consider our earlier analogy about gifts,' said co-author Aidan McConnell, who carried out this research during his master's degree at the Cavendish Laboratory in Cambridge, and is now a Ph.D. student at ETH, Zürich. 'Let's say sending gifts is inexpensive and we can send numerous parcels on day one. On day two we know which gift we should have sent. By the time the parcels arrive on day three, one out of every four gifts will be correct, and we select these by telling the recipient which deliveries to throw away.'

'That we need to use a filter to make our experiment work is actually pretty reassuring,' said Arvidsson-Shukur. 'The world would be very strange if our time-travel simulation worked every time. Relativity and all the theories that we are building our understanding of our universe on would be out of the window.'

'We are not proposing a time travel machine, but rather a deep dive into the fundamentals of quantum mechanics. These simulations do not allow you to go back and alter your past, but they do allow you to create a better tomorrow by fixing yesterday's problems today.'

Journal information: Physical Review Letters

Provided by University of Cambridge