Nous sommes pleinement conscients de la directionnalité du temps. Tout ce que nous connaissons semble suivre un schéma particulier, et tous les événements tendent à emprunter un chemin unidirectionnel. En d’autres termes, il est couramment admis qu’une fois qu’un événement s’est produit, il n’y a aucune possibilité de retour en arrière. La raison physique est simple : c’est la flèche du temps. En général, la flèche du temps pointe vers l’avant, et cela représente l’un des plus grands défis non résolus des fondements de la physique, car les physiciens ignorent pourquoi la nature du temps est telle.
Le temps, en tant qu’entité, ne peut être contrôlé ni manipulé. Cependant, nous pouvons manipuler l’évolution d’un système physique dans le temps et évaluer sa métamorphose d’un état à un autre par une observation minutieuse, du moins dans le monde classique. Dans le domaine quantique, même cela semble être un obstacle, car l’acte d’observer modifie les caractéristiques d’un système quantique. Il existe même des preuves concrètes suggérant que les propriétés quantiques sont contextuelles, ou, en d’autres termes, que les valeurs des observables physiques associées à un système quantique n’existent que dans le cadre de la mesure et non dans un sens littéral. C’est là un autre aspect des fondements de la mécanique quantique qui demeure mal compris.
Il existe aujourd’hui, dans le domaine de la mécanique quantique non relativiste, certains principes ou méthodes permettant de réinitialiser un état quantique essentiellement incontrôlé à un état antérieur déjà traversé par le système. Ces principes, ou protocoles de rembobinage, ont été démontrés, du moins en théorie [1, 2].
a) Dans le monde classique, la direction du temps est indubitable, illustrée ici par le processus de vieillissement, un phénomène qui ne peut être inversé en pratique malgré sa nature déterministe. Dans cet article, nous montrons que ces limitations ne s’appliquent pas au domaine quantique. b) L’unitarité de la mécanique quantique garantit que l’inverse d’une évolution temporelle donnée ???? existe toujours, même s’il est inconnu. c) En faisant passer un système quantique cible à travers une région d’interaction, on peut réaliser une évolution temporelle perturbée ????. d) Un interrupteur quantique fait évoluer le système cible dans une superposition de son évolution libre ???? et de son évolution perturbée ????. Cette superposition d’évolutions temporelles peut être utilisée pour « rembobiner » le système dans le temps, sans avoir besoin de connaître ????, ???? ou l’état | Ψ ⟩. Image et description : Optica (2022).
Si l’on examine le cœur du protocole de rembobinage, on constate qu’il découle essentiellement de l’un des concepts fondamentaux de la mécanique quantique : la nature non commutative des opérateurs quantiques. Pour être précis, si deux opérateurs quantiques ne commutent pas, il est pratiquement impossible d’obtenir des valeurs précises des observables simultanément. Une autre caractéristique unique de ces protocoles est que, même en cas d’erreur et d’échec du protocole, il est possible d’introduire de nouveaux protocoles capables de corriger l’erreur et de ramener le système en douceur à son état quantique d’origine.
Nous avons discuté de l’absurdité liée à l’observation d’un système quantique. Malgré ce problème de mesure inhérent au comportement quantique, les physiciens ont réussi, grâce au protocole de rembobinage, à inverser l’évolution d’un système quantique sans connaître ses états initiaux et finaux [3]. Ce protocole a été mis en œuvre dans le laboratoire de l’Institut d’optique quantique et d’information quantique (IQOQI) à Vienne. Cela a été rendu possible en combinant le protocole théorique de rembobinage avec un dispositif optique de pointe. Le système quantique pour lequel le retournement temporel a été démontré empiriquement se compose d’un seul quantum de lumière, ou photon.
Les chercheurs impliqués dans ce travail novateur affirment dans l’article original que leur méthode présente un taux de réussite bien supérieur à celui des protocoles existants dans la littérature scientifique, et que des expériences futures pourraient encore améliorer la précision de la méthode. De plus, il pourrait être possible de découvrir de nouveaux régimes et systèmes où le protocole pourrait être mis en œuvre de manière pratique. L’un des aspects les plus remarquables de ce travail est qu’il n’est pas nécessaire pour l’expérimentateur de connaître à priori les informations clés et les contraintes du système quantique étudié, ce qui conduit de manière déterministe à la conclusion que le protocole ne se limite pas aux photons. Étant donné la réalisation pratique du renversement du temps pour les processus quantiques, il ne serait pas surprenant que l’avenir soit particulièrement prometteur pour les technologies quantiques.
Références
[1] Miguel Navascués, Resetting Uncontrolled Quantum Systems, Physical Review X (2018). DOI: 10.1103/PhysRevX.8.031008
[2] David Trillo, Benjamin Dive, and Miguel Navascues, Translating Uncontrolled Systems in Time, Quantum (2020). DOI: 10.22331/q-2020-12-15-374
[3] P. Schiansky et al, Demonstration of universal time-reversal for qubit processes, Optica (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.469109
