La Chine établit un record mondial en piégeant la lumière plus d’une heure

Des chercheurs de l’Académie des sciences de l’information quantique de Pékin (BAQIS) ont réussi à stocker des informations sous forme de lumière pendant plus d’une heure, battant ainsi le précédent record et réalisant un exploit scientifique sans précédent. Ce défi, qui semblait insurmontable, représente une avancée majeure dans le domaine de l’informatique quantique. En effet, le stockage de la lumière est un enjeu central pour la recherche sur les ordinateurs quantiques qui pourraient transformer la façon dont nous traitons et stockons les données. Mais pourquoi est-ce si difficile de conserver la lumière et en quoi cette découverte pourrait-elle changer notre compréhension de la mécanique quantique ?

Le défi du stockage de la lumière

La lumière, ou plus précisément les photons qui la composent, sont des particules fondamentales qui voyagent à des vitesses incroyables. Or, c’est précisément cette rapidité qui rend leur stockage difficile. Contrairement aux électrons, qui peuvent être capturés dans des dispositifs à base de matériaux semi-conducteurs, les photons se déplacent à une telle vitesse qu’ils sont pratiquement impossibles à capturer et à stocker dans leur forme originale. De plus, les technologies actuelles de stockage de la lumière ne permettent de le faire que pendant de très courtes durées, ce qui limite leur utilisation dans les systèmes de communication quantique et les ordinateurs quantiques.

Les chercheurs du BAQIS ont donc dû trouver une manière innovante de ralentir ces photons suffisamment pour pouvoir les emprisonner sans perdre leurs informations précieuses. Cette avancée représente un énorme pas en avant dans la quête de stockage de données en utilisant les propriétés uniques des photons.

La solution innovante : conversion de la lumière en son

Pour contourner le problème de la vitesse des photons, les chercheurs ont opté pour une méthode astucieuse : convertir les signaux lumineux en signaux sonores. Étant beaucoup plus lents, les signaux sonores peuvent être facilement manipulés et stockés dans des matériaux spécifiques. Imaginez une particule de lumière transformée en une vibration sonore. Ce processus permet aux chercheurs de ralentir la lumière à une vitesse où elle devient beaucoup plus facile à retenir.

Pour ce faire, l’équipe a utilisé un matériau particulier, un film de carbure de silicium monocristallin, capable de piéger efficacement les informations lumineuses sous forme de signaux sonores. En raison de ses propriétés uniques (notamment sa stabilité de fréquence et ses faibles pertes internes), ce matériau a permis de prolonger la durée de stockage des photons de manière spectaculaire. Cette technologie permet ainsi d’encapsuler les informations contenues dans la lumière et de les maintenir pendant des périodes beaucoup plus longues qu’auparavant.

(image : un film de carbure de silicium monocristallin a permis aux chercheurs de piéger efficacement les informations lumineuses. )

Des résultats prometteurs

Le record mondial établi par les chercheurs est impressionnant : 4 035 secondes, soit plus d’une heure de stockage de lumière. Cette durée est bien au-delà de tout ce qui avait été réalisé précédemment. En effet, les précédentes tentatives de stockage de photons n’avaient permis de les maintenir pendant que quelques fractions de seconde. Le film de carbure de silicium monocristallin a montré des performances exceptionnelles, notamment en maintenant une stabilité de fréquence élevée même à des températures extrêmement basses.

L’impact de cette découverte, rapportée dans Nature Communications, pourrait être immense. L’une des principales applications réside dans le domaine des ordinateurs quantiques. Ces ordinateurs utilisent les principes de la mécanique quantique pour effectuer des calculs à des vitesses bien plus rapides que celles des ordinateurs classiques. Cependant, pour que l’informatique quantique atteigne son plein potentiel, les chercheurs doivent être en mesure de stocker et de manipuler des informations quantiques sur de longues périodes sans perte. Grâce à ce nouveau procédé de stockage de la lumière, il devient possible de maintenir plus efficacement les informations quantiques, ce qui pourrait accélérer le développement d’ordinateurs quantiques puissants.

D’autres applications intéressantes incluent la cryptographie quantique qui pourrait bénéficier de l’usage de photons pour sécuriser les communications à un niveau encore plus élevé qu’avec les technologies actuelles. Le stockage de la lumière pendant une durée prolongée pourrait également ouvrir la voie à de nouvelles découvertes dans les domaines des télécommunications, des capteurs quantiques et des simulations de phénomènes physiques complexes.

Les chercheurs prévoient maintenant d’étendre cette technologie en cherchant à augmenter la densité d’informations stockées et en explorant de nouvelles manières d’intégrer cette technique à d’autres technologies quantiques.

Des physiciens mesurent pour la première fois la géométrie quantique des électrons

Les électrons occupent une place centrale dans notre compréhension de l’univers ainsi qu’au sein des technologies modernes. Pourtant, leur comportement et leurs propriétés à l’échelle quantique restent en grande partie mystérieux. Récemment, une équipe de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) a réalisé une avancée majeure en mesurant pour la première fois la géométrie quantique des électrons dans un matériau solide. Mais de quoi parle-t-on précisément ? Et quelles sont les implications d’une telle percée ?

Le monde étrange des électrons

Dans l’univers quantique, les électrons ne se comportent pas comme des objets que nous connaissons dans notre vie quotidienne, mais peuvent être vus à la fois comme des particules et des ondes. Cette double nature est décrite par un outil mathématique appelé la fonction d’onde qui nous donne des informations sur l’électron : sa position, sa vitesse, et même sa forme.

Cela étant dit, imaginez maintenant une surface lisse et régulière, comme une balle de tennis : c’est une bonne image pour illustrer une forme simple d’électron. Maintenant, visualisez un ruban de Möbius, cette forme fascinante explorée par l’artiste MC Escher où le ruban semble se tordre sur lui-même de manière infinie, un peu comme un chemin qui ne revient jamais au point de départ. Cette dernière image représente les formes plus complexes que peuvent prendre certains électrons dans des matériaux spéciaux appelés matériaux quantiques.

Cependant, jusqu’à récemment, les scientifiques ne pouvaient pas mesurer directement cette géométrie quantique des électrons. Ils pouvaient seulement théoriser sur sa nature. Or, cette géométrie joue un rôle clé dans des propriétés essentielles, comme la conductivité ou le magnétisme, qui rendent certains matériaux particulièrement intéressants pour des applications de pointe.

Une quête scientifique de longue haleine

La difficulté à mesurer la géométrie quantique vient de plusieurs facteurs. Les outils traditionnels de la physique des matériaux, comme la spectroscopie ou la diffraction, permettent d’étudier l’énergie et la vitesse des électrons, mais pas leur forme dans l’espace. En outre, les matériaux étudiés, souvent des cristaux complexes, ont une structure qui complique encore davantage l’observation directe de leurs propriétés quantiques.

Malgré ces défis, l’intérêt pour la géométrie quantique n’a cessé de croître. Avec l’essor de l’informatique quantique et des dispositifs électroniques avancés, comprendre ces propriétés devient crucial. Mesurer la forme des électrons est comme découvrir une nouvelle dimension de leur comportement. Cela pourrait révolutionner la manière dont nous concevons et utilisons les matériaux dans des technologies futures.

Une méthode innovante pour une découverte majeure

Pour relever ce défi, l’équipe du MIT a utilisé une technique appelée spectroscopie de photoémission à résolution angulaire, ou ARPES. En termes simples, cette méthode consiste à bombarder un matériau avec de la lumière pour en faire sortir des électrons, puis à analyser la manière dont ils réagissent. Cela donne des informations précises sur leur énergie et leur mouvement.

Cependant, pour mesurer la géométrie quantique, il a fallu adapter la technique ARPES. Les chercheurs ont travaillé sur un matériau appelé métal kagome qui est connu pour ses propriétés quantiques exotiques. Ce matériau tire son nom de sa structure cristalline en forme de réseau de triangles semblable à un motif traditionnel japonais. Grâce à des modifications spécifiques de l’ARPES, les chercheurs ont pu non seulement observer la trajectoire des électrons, mais aussi leur forme ondulatoire unique.

Cette avancée n’aurait pas été possible sans une collaboration étroite entre théoriciens et expérimentateurs. Riccardo Comin, physicien au MIT, a même dû mener lui-même certaines expériences en Italie pendant la pandémie en raison des restrictions de déplacement de son équipe. Cette anecdote illustre à quel point la science repose parfois sur des efforts individuels dans des circonstances exceptionnelles.(Photo dessin : schéma de la configuration CD-ARPES à spin résolu.)

Les implications et applications

Cette découverte dépasse le simple cadre académique, car comprendre la géométrie des électrons ouvre des perspectives prometteuses dans plusieurs domaines technologiques. Par exemple, dans l’informatique quantique, une meilleure connaissance de la géométrie quantique pourrait permettre de concevoir des qubits plus stables et efficaces, un élément clé pour le développement de processeurs quantiques. Dans l’électronique avancée, cela pourrait conduire à des matériaux plus performants capables de transporter de l’électricité sans perte ou de fonctionner comme des capteurs ultra-sensibles.

En outre, cette méthode de mesure peut être appliquée à une grande variété de matériaux quantiques, pas seulement au métal kagome. Cela signifie que les chercheurs disposent désormais d’un outil puissant pour explorer un large éventail de matériaux aux propriétés encore inconnues. Ces travaux pourraient transformer notre manière d’aborder la conception de nouveaux dispositifs.

Des chercheurs font une découverte importante sur le ferromagnétisme

Une équipe de chercheurs japonais vient de réaliser une percée majeure dans le domaine de la physique quantique. Leurs travaux démontrent en effet que le ferromagnétisme, un état ordonné des atomes, peut être provoqué par une augmentation de la motilité des particules, et que les forces répulsives entre les atomes sont suffisantes pour le maintenir. Voici pourquoi c'est important.

Qu’est-ce que le ferromagnétisme ?

Chaque atome d’un matériau ferromagnétique est comme un petit aimant microscopique. Imaginez alors chacun de ces atomes avec son propre nord et son propre sud magnétiques.

Normalement, ces minuscules aimants sont en proie au chaos, pointant dans toutes les directions possibles, rendant leurs effets magnétiques mutuellement insignifiants. C’est un peu comme si une foule de personnes se promenait dans toutes les directions, chacune ayant son propre itinéraire, rendant difficile de discerner une tendance générale.

Cependant, lorsque vous refroidissez ce matériau en dessous d’une température spécifique très froide, appelée température de Curie, quelque chose de magique se produit : chaque personne de cette même foule commence soudainement à suivre le même chemin, comme si elles suivaient un chef de file invisible.

Dans le monde des atomes, cela se traduit par tous les petits aimants s’alignant dans une direction commune. C’est comme si une armée d’aimants se mettait en formation, tous pointant dans la même direction avec un but commun.

Vous venez alors de créer un champ magnétique global. Cette unification des orientations magnétiques crée en effet une aimantation macroscopique que vous pouvez ressentir lorsque vous approchez un objet aimanté à proximité. C’est ce qu’on appelle le ferromagnétisme.

De nombreuses applications

On ne s’en pas forcément compte, mais ce phénomène est à la base de nombreuses technologies modernes et a un impact significatif sur notre vie quotidienne.

Pensez aux aimants sur nos réfrigérateurs, par exemple. Ils sont là, fidèles et puissants, tenant en place des photos, des listes de courses et autres souvenirs. Tout cela est rendu possible grâce à la capacité du ferromagnétisme à maintenir un champ magnétique stable, permettant aux aimants de s’attacher fermement aux surfaces métalliques.

Et que dire de nos haut-parleurs ? Ces merveilles de l’ingénierie audio tirent en effet parti du ferromagnétisme pour produire des sons que nous pouvons entendre et ressentir. Lorsque le courant électrique traverse la bobine d’un haut-parleur, il crée un champ magnétique qui interagit avec un aimant permanent, provoquant le mouvement d’un diaphragme. Ce mouvement génère alors des ondes sonores qui nous enveloppent de musique, de voix et d’effets sonores, donnant vie à nos films, chansons et podcasts préférés.

Les scanners d’IRM sont un autre exemple. Ces dispositifs révolutionnaires exploitent en effet les propriétés magnétiques des tissus corporels pour produire des images détaillées de nos organes, de nos muscles et même de notre cerveau. En appliquant un champ magnétique puissant et des ondes radio, les atomes d’hydrogène dans notre corps s’alignent et émettent des signaux détectés par l’appareil, permettant la création d’images en coupe transversale de notre anatomie interne.

Vous l’avez compris, en comprenant mieux les mécanismes sous-jacents du ferromagnétisme, les scientifiques peuvent donc exploiter cette connaissance pour développer de nouvelles technologies et améliorer celles qui existent déjà.

Cela étant dit, plus récemment, des chercheurs japonais ont fait une découverte qui étend notre compréhension de ce phénomène à des conditions et des mécanismes jusque-là inconnus.

L’ordre naît aussi du mouvement

Comme dit plus haut, traditionnellement, on pensait que le ferromagnétisme pouvait être induit par des températures très froides, où les atomes seraient suffisamment calmes pour s’aligner dans une direction commune. Ici, les scientifiques ont démontré que cet état ordonné des atomes peut également être provoqué par une augmentation de la motilité des particules.

En d’autres termes, lorsque les particules deviennent plus mobiles, les forces répulsives entre les atomes peuvent les organiser dans un état magnétique ordonné.

Cela représente une avancée majeure dans le domaine de la physique quantique, car cela élargit le concept de matière active aux systèmes quantiques.

Notez que la matière active est un état dans lequel des agents individuels s’auto-organisent et se déplacent de manière organisée sans besoin d’un contrôleur externe. Ce concept a été étudié à différentes échelles, de l’échelle nanométrique à l’échelle des animaux, mais son application au domaine quantique était jusqu’ici peu explorée.

Pour ces travaux, l’équipe dirigée par Kazuaki Takasan et Kyogo Kawaguchi, de l’Université de Tokyo, a développé un modèle théorique dans lequel les atomes imitent le comportement des agents de la matière active, comme les oiseaux en troupeau. Lorsqu’ils ont augmenté la motilité des atomes, les forces répulsives entre eux les ont réorganisés dans un état ordonné de ferromagnétisme.

Cela signifie que les spins, le moment cinétique des particules et des noyaux subatomiques, se sont alignés dans une direction, tout comme les oiseaux en troupeau font face à la même direction lorsqu’ils volent.

Image schématique du ferromagnétisme induit par l’activité dans la matière active quantique. Ici, les atomes en mouvement avec des spins présentent l’ordre ferromagnétique (c’est-à-dire s’alignant dans une direction) comme une volée d’oiseaux représentée ci-dessus. Crédits : Takasan et al 2024

Quelles implications ?

Ce résultat, obtenu par une combinaison de simulations informatiques, de théories du champ moyen et de preuves mathématiques, élargit notre compréhension de la physique quantique et ouvre de nouvelles voies de recherche pour explorer les propriétés magnétiques des matériaux à des échelles microscopiques.

Cette découverte pourrait notamment avoir un impact significatif sur le développement de nouvelles technologies basées sur les propriétés magnétiques des particules.

Par exemple, la mémoire magnétique est une technologie largement utilisée dans les dispositifs de stockage de données, tels que les disques durs et les bandes magnétiques. En comprenant mieux les mécanismes qui sous-tendent le ferromagnétisme, les scientifiques pourraient alors concevoir des matériaux magnétiques plus efficaces et plus économes en énergie pour ces applications, ce qui pourrait conduire à des capacités de stockage accrues et à des temps d’accès plus rapides pour les données.

De plus, l’informatique quantique est un domaine en plein essor qui exploite les propriétés quantiques des particules pour effectuer des calculs à une vitesse beaucoup plus rapide que les ordinateurs classiques. Les qubits, les unités de calcul de l’informatique quantique, peuvent être réalisés à l’aide de diverses plateformes, y compris des systèmes magnétiques.

La capacité de contrôler et de manipuler le ferromagnétisme à l’échelle des particules pourrait donc ouvrir de nouvelles voies pour la réalisation et la manipulation de qubits magnétiques, ce qui pourrait contribuer à la réalisation de l’informatique quantique à grande échelle.

Ce ne sont ici que des exemples. Le point à retenir est qu’en comprenant mieux les mécanismes qui sous-tendent ce phénomène, les scientifiques pourraient être en mesure de concevoir des matériaux magnétiques plus efficaces pour beaucoup d’applications.

 

De quoi l'espace-temps est-il réellement fait ?

L'espace-temps pourrait émerger d'une réalité plus fondamentale. La découverte de cette réalité pourrait débloquer l'objectif le plus urgent de la physique

Natalie Paquette passe son temps à réfléchir à la manière de faire croître une dimension supplémentaire. Elle commence par de petits cercles, dispersés en tout point de l'espace et du temps - une dimension en forme de boucle, qui se referme sur elle-même. Puis on rétrécit ces cercles, de plus en plus petits, en resserrant la boucle, jusqu'à ce qu'une curieuse transformation se produise : la dimension cesse de sembler minuscule et devient énorme, comme lorsqu'on réalise que quelque chose qui semble petit et proche est en fait énorme et distant. "Nous réduisons une direction spatiale", explique Paquette. "Mais lorsque nous essayons de la rétrécir au-delà d'un certain point, une nouvelle et grande direction spatiale émerge à la place."

Paquette, physicien théoricien à l'université de Washington, n'est pas le seul à penser à cette étrange sorte de transmutation dimensionnelle. Un nombre croissant de physiciens, travaillant dans différents domaines de la discipline avec des approches différentes, convergent de plus en plus vers une idée profonde : l'espace - et peut-être même le temps - n'est pas fondamental. Au contraire, l'espace et le temps pourraient être émergents : ils pourraient découler de la structure et du comportement de composants plus fondamentaux de la nature. Au niveau le plus profond de la réalité, des questions comme "Où ?" et "Quand ?" n'ont peut-être aucune réponse. "La physique nous donne de nombreux indices selon lesquels l'espace-temps tel que nous le concevons n'est pas la chose fondamentale", déclare M. Paquette.

Ces notions radicales proviennent des derniers rebondissements de la chasse à la théorie de la gravité quantique, qui dure depuis un siècle. La meilleure théorie des physiciens sur la gravité est la relativité générale, la célèbre conception d'Albert Einstein sur la façon dont la matière déforme l'espace et le temps. Leur meilleure théorie sur tout le reste est la physique quantique, qui est d'une précision étonnante en ce qui concerne les propriétés de la matière, de l'énergie et des particules subatomiques. Les deux théories ont facilement passé tous les tests que les physiciens ont pu concevoir au cours du siècle dernier. On pourrait penser qu'en les réunissant, on obtiendrait une "théorie du tout".

Mais les deux théories ne s'entendent pas bien. Demandez à la relativité générale ce qui se passe dans le contexte de la physique quantique, et vous obtiendrez des réponses contradictoires, avec des infinis indomptés se déchaînant sur vos calculs. La nature sait comment appliquer la gravité dans des contextes quantiques - cela s'est produit dans les premiers instants du big bang, et cela se produit encore au cœur des trous noirs - mais nous, les humains, avons encore du mal à comprendre comment le tour se joue. Une partie du problème réside dans la manière dont les deux théories traitent l'espace et le temps. Alors que la physique quantique considère l'espace et le temps comme immuables, la relativité générale les déforme au petit déjeuner.

D'une manière ou d'une autre, une théorie de la gravité quantique devrait concilier ces idées sur l'espace et le temps. Une façon d'y parvenir serait d'éliminer le problème à sa source, l'espace-temps lui-même, en faisant émerger l'espace et le temps de quelque chose de plus fondamental. Ces dernières années, plusieurs pistes de recherche différentes ont toutes suggéré qu'au niveau le plus profond de la réalité, l'espace et le temps n'existent pas de la même manière que dans notre monde quotidien. Au cours de la dernière décennie, ces idées ont radicalement changé la façon dont les physiciens envisagent les trous noirs. Aujourd'hui, les chercheurs utilisent ces concepts pour élucider le fonctionnement d'un phénomène encore plus exotique : les trous de ver, connexions hypothétiques en forme de tunnel entre des points distants de l'espace-temps. Ces succès ont entretenu l'espoir d'une percée encore plus profonde. Si l'espace-temps est émergent, alors comprendre d'où il vient - et comment il pourrait naître de n'importe quoi d'autre - pourrait être la clé manquante qui ouvrirait enfin la porte à une théorie du tout.

LE MONDE DANS UN DUO DE CORDES

Aujourd'hui, la théorie candidate à la gravité quantique la plus populaire parmi les physiciens est la théorie des cordes. Selon cette idée, les cordes éponymes sont les constituants fondamentaux de la matière et de l'énergie, donnant naissance à la myriade de particules subatomiques fondamentales observées dans les accélérateurs de particules du monde entier. Elles sont même responsables de la gravité - une particule hypothétique porteuse de la force gravitationnelle, un "graviton", est une conséquence inévitable de la théorie.

Mais la théorie des cordes est difficile à comprendre : elle se situe dans un territoire mathématique que les physiciens et les mathématiciens ont mis des décennies à explorer. Une grande partie de la structure de la théorie est encore inexplorée, des expéditions sont encore prévues et des cartes restent à établir. Dans ce nouveau domaine, la principale technique de navigation consiste à utiliser des dualités mathématiques, c'est-à-dire des correspondances entre un type de système et un autre.

La dualité évoquée au début de cet article, entre les petites dimensions et les grandes, en est un exemple. Si vous essayez de faire entrer une dimension dans un petit espace, la théorie des cordes vous dit que vous obtiendrez quelque chose de mathématiquement identique à un monde où cette dimension est énorme. Selon la théorie des cordes, les deux situations sont identiques : vous pouvez aller et venir librement de l'une à l'autre et utiliser les techniques d'une situation pour comprendre le fonctionnement de l'autre. "Si vous gardez soigneusement la trace des éléments fondamentaux de la théorie, dit Paquette, vous pouvez naturellement trouver parfois que... vous pourriez faire croître une nouvelle dimension spatiale."

Une dualité similaire suggère à de nombreux théoriciens des cordes que l'espace lui-même est émergeant. L'idée a germé en 1997, lorsque Juan Maldacena, physicien à l'Institute for Advanced Study, a découvert une dualité entre une théorie quantique bien comprise, connue sous le nom de théorie des champs conforme (CFT), et un type particulier d'espace-temps issu de la relativité générale, appelé espace anti-de Sitter (AdS). Ces deux théories semblent très différentes : la CFT ne comporte aucune gravité, tandis que l'espace AdS intègre toute la théorie de la gravité d'Einstein. Pourtant, les mêmes mathématiques peuvent décrire les deux mondes. Lorsqu'elle a été découverte, cette correspondance AdS/CFT a fourni un lien mathématique tangible entre une théorie quantique et un univers complet comportant une gravité.

Curieusement, l'espace AdS dans la correspondance AdS/CFT comportait une dimension de plus que la CFT quantique. Mais les physiciens se sont délectés de ce décalage, car il s'agissait d'un exemple parfaitement élaboré d'un autre type de correspondance conçu quelques années plus tôt par les physiciens Gerard 't Hooft de l'université d'Utrecht aux Pays-Bas et Leonard Susskind de l'université de Stanford, connu sous le nom de principe holographique. Se fondant sur certaines des caractéristiques particulières des trous noirs, Gerard 't Hooft et Leonard Susskind soupçonnaient que les propriétés d'une région de l'espace pouvaient être entièrement "codées" par sa frontière. En d'autres termes, la surface bidimensionnelle d'un trou noir contiendrait toutes les informations nécessaires pour savoir ce qui se trouve dans son intérieur tridimensionnel, comme un hologramme. "Je pense que beaucoup de gens ont pensé que nous étions fous", dit Susskind. "Deux bons physiciens devenusdingues".

De même, dans la correspondance AdS/CFT, la CFT quadridimensionnelle encode tout ce qui concerne l'espace AdS à cinq dimensions auquel elle est associée. Dans ce système, la région entière de l'espace-temps est construite à partir des interactions entre les composants du système quantique dans la théorie des champs conforme. Maldacena compare ce processus à la lecture d'un roman. "Si vous racontez une histoire dans un livre, il y a les personnages du livre qui font quelque chose", dit-il. "Mais tout ce qu'il y a, c'est une ligne de texte, non ? Ce que font les personnages est déduit de cette ligne de texte. Les personnages du livre seraient comme la théorie [AdS] globale. Et la ligne de texte est la [CFT]."

Mais d'où vient l'espace de l'espace AdS ? Si cet espace est émergent, de quoi émerge-t-il ? La réponse est un type d'interaction spécial et étrangement quantique dans la CFT : l'intrication, une connexion à longue distance entre des objets, corrélant instantanément leur comportement de manière statistiquement improbable. L'intrication a beaucoup troublé Einstein, qui l'a qualifiée d'"action étrange à distance".

Connaîtrons-nous un jour la véritable nature de l'espace et du temps ?

 Pourtant, malgré son caractère effrayant, l'intrication est une caractéristique essentielle de la physique quantique. Lorsque deux objets interagissent en mécanique quantique, ils s'intriquent généralement et le resteront tant qu'ils resteront isolés du reste du monde, quelle que soit la distance qui les sépare. Dans des expériences, les physiciens ont maintenu l'intrication entre des particules distantes de plus de 1 000 kilomètres et même entre des particules au sol et d'autres envoyées vers des satellites en orbite. En principe, deux particules intriquées pourraient maintenir leur connexion sur des côtés opposés de la galaxie ou de l'univers. La distance ne semble tout simplement pas avoir d'importance pour l'intrication, une énigme qui a troublé de nombreux physiciens pendant des décennies.

Mais si l'espace est émergent, la capacité de l'intrication à persister sur de grandes distances n'est peut-être pas si mystérieuse - après tout, la distance est une construction. Selon les études de la correspondance AdS/CFT menées par les physiciens Shinsei Ryu de l'université de Princeton et Tadashi Takayanagi de l'université de Kyoto, l'intrication est ce qui produit les distances dans l'espace AdS en premier lieu. Deux régions d'espace proches du côté AdS de la dualité correspondent à deux composantes quantiques hautement intriquées de la CFT. Plus elles sont intriquées, plus les régions de l'espace sont proches les unes des autres.

Ces dernières années, les physiciens en sont venus à soupçonner que cette relation pourrait également s'appliquer à notre univers. "Qu'est-ce qui maintient l'espace ensemble et l'empêche de se désagréger en sous-régions distinctes ? La réponse est l'intrication entre deux parties de l'espace", déclare Susskind. "La continuité et la connectivité de l'espace doivent leur existence à l'intrication quantique-mécanique". L'intrication pourrait donc sous-tendre la structure de l'espace lui-même, formant la chaîne et la trame qui donnent naissance à la géométrie du monde. "Si l'on pouvait, d'une manière ou d'une autre, détruire l'intrication entre deux parties [de l'espace], l'espace se désagrégerait", déclare Susskind. "Il ferait le contraire de l'émergence. Il désémergerait."

Si l'espace est fait d'intrication, l'énigme de la gravité quantique semble beaucoup plus facile à résoudre : au lieu d'essayer de rendre compte de la déformation de l'espace de manière quantique, l'espace lui-même émerge d'un phénomène fondamentalement quantique. Susskind pense que c'est la raison pour laquelle une théorie de la gravité quantique a été si difficile à trouver en premier lieu. "Je pense que la raison pour laquelle elle n'a jamais très bien fonctionné est qu'elle a commencé par une image de deux choses différentes, [la relativité générale] et la mécanique quantique, et qu'elle les a mises ensemble", dit-il. "Et je pense que l'idée est qu'elles sont beaucoup trop étroitement liées pour être séparées puis réunies à nouveau. La gravité n'existe pas sans la mécanique quantique".

Pourtant, la prise en compte de l'espace émergent ne représente que la moitié du travail. L'espace et le temps étant si intimement liés dans la relativité, tout compte rendu de l'émergence de l'espace doit également expliquer le temps. "Le temps doit également émerger d'une manière ou d'une autre", déclare Mark van Raamsdonk, physicien à l'université de Colombie-Britannique et pionnier du lien entre intrication et espace-temps. "Mais cela n'est pas bien compris et constitue un domaine de recherche actif".

Un autre domaine actif, dit-il, consiste à utiliser des modèles d'espace-temps émergent pour comprendre les trous de ver. Auparavant, de nombreux physiciens pensaient que l'envoi d'objets à travers un trou de ver était impossible, même en théorie. Mais ces dernières années, les physiciens travaillant sur la correspondance AdS/CFT et sur des modèles similaires ont trouvé de nouvelles façons de construire des trous de ver. "Nous ne savons pas si nous pourrions le faire dans notre univers", dit van Raamsdonk. "Mais ce que nous savons maintenant, c'est que certains types de trous de ver traversables sont théoriquement possibles". Deux articles - l'un en 2016 et l'autre en 2018 - ont conduit à une rafale de travaux en cours dans ce domaine. Mais même si des trous de ver traversables pouvaient être construits, ils ne seraient pas d'une grande utilité pour les voyages spatiaux. Comme le souligne Susskind, "on ne peut pas traverser ce trou de ver plus vite qu'il ne faudrait à [la lumière] pour faire le chemin inverse."

Si les théoriciens des cordes ont raison, alors l'espace est construit à partir de l'intrication quantique, et le temps pourrait l'être aussi. Mais qu'est-ce que cela signifie vraiment ? Comment l'espace peut-il être "fait" d'intrication entre des objets, à moins que ces objets ne soient eux-mêmes quelque part ? Comment ces objets peuvent-ils s'enchevêtrer s'ils ne connaissent pas le temps et le changement ? Et quel type d'existence les choses pourraient-elles avoir sans habiter un espace et un temps véritables ?

Ces questions frisent la philosophie, et les philosophes de la physique les prennent au sérieux. "Comment diable l'espace-temps pourrait-il être le genre de chose qui pourrait être émergent ?" demande Eleanor Knox, philosophe de la physique au King's College de Londres. Intuitivement, dit-elle, cela semble impossible. Mais Knox ne pense pas que ce soit un problème. "Nos intuitions sont parfois catastrophiques", dit-elle. Elles "ont évolué dans la savane africaine en interagissant avec des macro-objets, des macro-fluides et des animaux biologiques" et ont tendance à ne pas être transférées au monde de la mécanique quantique. En ce qui concerne la gravité quantique, "Où sont les objets ?" et "Où vivent-ils ?" ne sont pas les bonnes questions à poser", conclut Mme Knox.

Il est certainement vrai que les objets vivent dans des lieux dans la vie de tous les jours. Mais comme Knox et bien d'autres le soulignent, cela ne signifie pas que l'espace et le temps doivent être fondamentaux, mais simplement qu'ils doivent émerger de manière fiable de ce qui est fondamental. Prenons un liquide, explique Christian Wüthrich, philosophe de la physique à l'université de Genève. "En fin de compte, il s'agit de particules élémentaires, comme les électrons, les protons et les neutrons ou, plus fondamental encore, les quarks et les leptons. Les quarks et les leptons ont-ils des propriétés liquides ? Cela n'a aucun sens... Néanmoins, lorsque ces particules fondamentales se rassemblent en nombre suffisant et montrent un certain comportement ensemble, un comportement collectif, alors elles agiront d'une manière qui ressemble à un liquide."

Selon Wüthrich, l'espace et le temps pourraient fonctionner de la même manière dans la théorie des cordes et d'autres théories de la gravité quantique. Plus précisément, l'espace-temps pourrait émerger des matériaux que nous considérons habituellement comme vivant dans l'univers - la matière et l'énergie elles-mêmes. "Ce n'est pas que nous ayons d'abord l'espace et le temps, puis nous ajoutons de la matière", explique Wüthrich. "Au contraire, quelque chose de matériel peut être une condition nécessaire pour qu'il y ait de l'espace et du temps. Cela reste un lien très étroit, mais c'est juste l'inverse de ce que l'on aurait pu penser à l'origine."

Mais il existe d'autres façons d'interpréter les dernières découvertes. La correspondance AdS/CFT est souvent considérée comme un exemple de la façon dont l'espace-temps pourrait émerger d'un système quantique, mais ce n'est peut-être pas vraiment ce qu'elle montre, selon Alyssa Ney, philosophe de la physique à l'université de Californie, à Davis. "AdS/CFT vous donne cette capacité de fournir un manuel de traduction entre les faits concernant l'espace-temps et les faits de la théorie quantique", dit Ney. "C'est compatible avec l'affirmation selon laquelle l'espace-temps est émergent, et une certaine théorie quantique est fondamentale." Mais l'inverse est également vrai, dit-elle. La correspondance pourrait signifier que la théorie quantique est émergente et que l'espace-temps est fondamental, ou qu'aucun des deux n'est fondamental et qu'il existe une théorie fondamentale encore plus profonde. L'émergence est une affirmation forte, dit Ney, et elle est ouverte à la possibilité qu'elle soit vraie. "Mais, du moins si l'on s'en tient à AdS/CFT, je ne vois toujours pas d'argument clair en faveur de l'émergence."

Un défi sans doute plus important pour l'image de la théorie des cordes de l'espace-temps émergent est caché à la vue de tous, juste au nom de la correspondance AdS/CFT elle-même. "Nous ne vivons pas dans un espace anti-de Sitter", dit Susskind. "Nous vivons dans quelque chose de beaucoup plus proche de l'espace de Sitter". L'espace de Sitter décrit un univers en accélération et en expansion, comme le nôtre. "Nous n'avons pas la moindre idée de la façon dont [l'holographie] s'y applique", conclut M. Susskind. Trouver comment établir ce type de correspondance pour un espace qui ressemble davantage à l'univers réel est l'un des problèmes les plus urgents pour les théoriciens des cordes. "Je pense que nous allons être en mesure de mieux comprendre comment entrer dans une version cosmologique de ceci", dit van Raamsdonk.

Enfin, il y a les nouvelles - ou l'absence de nouvelles - provenant des derniers accélérateurs de particules, qui n'ont trouvé aucune preuve de l'existence des particules supplémentaires prévues par la supersymétrie, une idée sur laquelle repose la théorie des cordes. Selon la supersymétrie, toutes les particules connues auraient leurs propres "superpartenaires", ce qui doublerait le nombre de particules fondamentales. Mais le Grand collisionneur de hadrons du CERN, près de Genève, conçu en partie pour rechercher des superpartenaires, n'en a vu aucun signe. "Toutes les versions vraiment précises de [l'espace-temps émergent] dont nous disposons se trouvent dans des théories supersymétriques", déclare Susskind. "Une fois que vous n'avez plus de supersymétrie, la capacité à suivre mathématiquement les équations s'évapore tout simplement de vos mains".

LES ATOMES DE L'ESPACE-TEMPS

La théorie des cordes n'est pas la seule idée qui suggère que l'espace-temps est émergent. La théorie des cordes "n'a pas réussi à tenir [ses] promesses en tant que moyen d'unir la gravité et la mécanique quantique", déclare Abhay Ashtekar, physicien à l'université d'État de Pennsylvanie. "La puissance de la théorie des cordes réside désormais dans le fait qu'elle fournit un ensemble d'outils extrêmement riche, qui ont été largement utilisés dans tout le spectre de la physique." Ashtekar est l'un des pionniers originaux de l'alternative la plus populaire à la théorie des cordes, connue sous le nom de gravité quantique à boucles. Dans la gravité quantique à boucles, l'espace et le temps ne sont pas lisses et continus, comme c'est le cas dans la relativité générale, mais ils sont constitués de composants discrets, ce qu'Ashtekar appelle des "morceaux ou atomes d'espace-temps".

Ces atomes d'espace-temps sont connectés en réseau, avec des surfaces unidimensionnelles et bidimensionnelles qui les réunissent en ce que les praticiens de la gravité quantique à boucle appellent une mousse de spin. Et bien que cette mousse soit limitée à deux dimensions, elle donne naissance à notre monde quadridimensionnel, avec trois dimensions d'espace et une de temps. Ashtekar compare ce monde à un vêtement. "Si vous regardez votre chemise, elle ressemble à une surface bidimensionnelle", dit-il. "Si vous prenez une loupe, vous verrez immédiatement qu'il s'agit de fils unidimensionnels. C'est juste que ces fils sont si denses que, pour des raisons pratiques, vous pouvez considérer la chemise comme une surface bidimensionnelle. De même, l'espace qui nous entoure ressemble à un continuum tridimensionnel. Mais il y a vraiment un entrecroisement par ces [atomes d'espace-temps]".

Bien que la théorie des cordes et la gravité quantique à boucles suggèrent toutes deux que l'espace-temps est émergent, le type d'émergence est différent dans les deux théories. La théorie des cordes suggère que l'espace-temps (ou du moins l'espace) émerge du comportement d'un système apparemment sans rapport, sous forme d'intrication. Pensez à la façon dont les embouteillages émergent des décisions collectives des conducteurs individuels. Les voitures ne sont pas faites de la circulation - ce sont les voitures qui font la circulation. Dans la gravité quantique à boucles, par contre, l'émergence de l'espace-temps ressemble davantage à une dune de sable en pente émergeant du mouvement collectif des grains de sable dans le vent. L'espace-temps lisse et familier provient du comportement collectif de minuscules "grains" d'espace-temps ; comme les dunes, les grains sont toujours du sable, même si les gros grains cristallins n'ont pas l'apparence ou le comportement des dunes ondulantes.

Malgré ces différences, gravité quantique à boucles et  théorie des cordes suggèrent toutes deux que l'espace-temps émerge d'une réalité sous-jacente. Elles ne sont pas non plus les seules théories proposées de la gravité quantique qui vont dans ce sens. La théorie de l'ensemble causal, un autre prétendant à une théorie de la gravité quantique, postule que l'espace et le temps sont également constitués de composants plus fondamentaux. "Il est vraiment frappant de constater que, pour la plupart des théories plausibles de la gravité quantique dont nous disposons, leur message est, en quelque sorte, que l'espace-temps relativiste général n'existe pas au niveau fondamental", déclare Knox. "Les gens sont très enthousiastes lorsque différentes théories de la gravité quantique s'accordent au moins sur quelque chose."

L'AVENIR DE L'ESPACE AUX CONFINS DU TEMPS

La physique moderne est victime de son propre succès. La physique quantique et la relativité générale étant toutes deux d'une précision phénoménale, la gravité quantique n'est nécessaire que pour décrire des situations extrêmes, lorsque des masses énormes sont entassées dans des espaces insondables. Ces conditions n'existent que dans quelques endroits de la nature, comme le centre d'un trou noir, et surtout pas dans les laboratoires de physique, même les plus grands et les plus puissants. Il faudrait un accélérateur de particules de la taille d'une galaxie pour tester directement le comportement de la nature dans des conditions où règne la gravité quantique. Ce manque de données expérimentales directes explique en grande partie pourquoi la recherche d'une théorie de la gravité quantique par les scientifiques a été si longue.

Face à l'absence de preuves, la plupart des physiciens ont placé leurs espoirs dans le ciel. Dans les premiers instants du big bang, l'univers entier était phénoménalement petit et dense - une situation qui exige une gravité quantique pour le décrire. Et des échos de cette époque peuvent subsister dans le ciel aujourd'hui. "Je pense que notre meilleure chance [de tester la gravité quantique] passe par la cosmologie", déclare Maldacena. "Peut-être quelque chose en cosmologie que nous pensons maintenant être imprévisible, qui pourra peut-être être prédit une fois que nous aurons compris la théorie complète, ou une nouvelle chose à laquelle nous n'avions même pas pensé."

Les expériences de laboratoire pourraient toutefois s'avérer utiles pour tester la théorie des cordes, du moins indirectement. Les scientifiques espèrent étudier la correspondance AdS/CFT non pas en sondant l'espace-temps, mais en construisant des systèmes d'atomes fortement intriqués et en observant si un analogue à l'espace-temps et à la gravité apparaît dans leur comportement. De telles expériences pourraient "présenter certaines caractéristiques de la gravité, mais peut-être pas toutes", déclare Maldacena. "Cela dépend aussi de ce que l'on appelle exactement la gravité".

Connaîtrons-nous un jour la véritable nature de l'espace et du temps ? Les données d'observation du ciel ne seront peut-être pas disponibles de sitôt. Les expériences en laboratoire pourraient être un échec. Et comme les philosophes le savent bien, les questions sur la véritable nature de l'espace et du temps sont très anciennes. Ce qui existe "est maintenant tout ensemble, un, continu", disait le philosophe Parménide il y a 2 500 ans. "Tout est plein de ce qui est". Parménide insistait sur le fait que le temps et le changement étaient des illusions, que tout partout était un et le même. Son élève Zénon a créé de célèbres paradoxes pour prouver le point de vue de son professeur, prétendant démontrer que le mouvement sur n'importe quelle distance était impossible. Leurs travaux ont soulevé la question de savoir si le temps et l'espace étaient en quelque sorte illusoires, une perspective troublante qui a hanté la philosophie occidentale pendant plus de deux millénaires.

Le fait que les Grecs de l'Antiquité aient posé des questions telles que "Qu'est-ce que l'espace ?", "Qu'est-ce que le temps ?", "Qu'est-ce que le changement ?" et que nous posions encore des versions de ces questions aujourd'hui signifie qu'il s'agissait des bonnes questions à poser", explique M. Wüthrich. "C'est en réfléchissant à ce genre de questions que nous avons appris beaucoup de choses sur la physique".