L’origine de l’espace-temps est l’une des questions les plus intrigantes des fondements de la physique. C’est l’une des nombreuses questions qui ont essentiellement troublé les scientifiques pendant des siècles. Les théoriciens modernes ont élaboré plusieurs cadres qui tentent d’approcher les principales conditions ayant conduit à l’émergence de l’espace-temps. Parmi ces théories figurent la gravité émergente, la théorie des ensembles causaux, la théorie de l’information et de multiples modèles dans le cadre de la gravité quantique.
Les physiciens pensent depuis longtemps que l’espace et le temps sont essentiellement des propriétés dérivées de quelque chose de plus concret ; cependant, la nature de cette chose plus fondamentale n’est pas encore très claire. Plusieurs éléments de la littérature scientifique semblent indiquer la non-fondamentalité de l’espace-temps. Avec la proposition de la dualité jauge-gravité, les théories de l’émergence de l’espace-temps ont suscité un intérêt majeur au sein de la communauté des physiciens.
La dualité jauge-gravité ou AdS/CFT est essentiellement une dualité entre deux théories physiques – les théories quantiques des champs et les théories gravitationnelles – appliquée aux systèmes physiques pour simplifier les calculs. Cela est rendu possible par le fait que les théories gravitationnelles sont faiblement interactives par nature, et par conséquent, les calculs qui sont autrement difficiles à effectuer dans les théories quantiques des champs à forte interaction deviennent plus faciles dans les théories gravitationnelles. En d’autres termes, en raison de la connexion entre les deux théories, la résolution d’un certain problème dans une théorie peut se faire dans une autre théorie où le même problème devient plus facile à résoudre. Cette dualité indique apparemment que l’espace-temps n’est pas fondamental mais plutôt une propriété dérivée.
En outre, l’intrication quantique est considérée comme l’un des principaux facteurs et constitue un élément clé d’un autre cadre traitant de l’émergence de l’espace-temps [2]. Ce cadre, proposé par le physicien Mark van Raamsdonk de l’Université de la Colombie-Britannique, a été très bien accueilli par la communauté et lui a valu un prix de la Gravity Research Foundation. La conclusion de l’article original de Raamsdonk explique l’importance de l’intrication dans l’émergence de l’espace-temps [2] :
« Nous avons vu que nous pouvons relier des espaces-temps en intriquant des degrés de liberté et les déchirer en les désintriquer. Il est fascinant de constater que le phénomène intrinsèquement quantique de l’intrication semble être crucial pour l’émergence de la géométrie classique de l’espace-temps. »
La figure représente la relation masse/frontière dans la dualité AdS/CFT. Source : [1] : [1]
Dans le cas des trous noirs, la fluidité de l’espace-temps dans la masse (région de concentration optimale de masse) des trous noirs est directement proportionnelle à l’étendue de l’intrication à la frontière. Cependant, l’intrication ne peut à elle seule décrire complètement le trou noir, et il faut donc un facteur supplémentaire qui puisse décrire de manière cohérente le système masse-frontière du trou noir dans son intégralité.
Des physiciens du RIKEN Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS) ont proposé une nouvelle propriété quantique appelée ‘magie’ qui permet essentiellement de décrire le comportement chaotique des trous noirs. Il est bien établi que l’information de tout objet qui tombe dans un trou noir est apparemment perdue, et que sa récupération est une tâche difficile. Les physiciens de la présente étude pensent que la magie peut servir de source d’information supplémentaire pour résoudre ce paradoxe apparent. Selon leur article original [3],
« La magie (monotone) est la mesure de la quantité de ressources non stabilisatrices, et elle mesure la difficulté pour un ordinateur classique de simuler l’état ».
Dans leur étude, la magie est accompagnée de deux quantités supplémentaires qui aident à son évaluation. Ces deux quantités sont le ‘Mana’ et le ‘RoM’ (Robustesse de la Magie) et sont essentielles pour quantifier les états magiques quantiques. Un compte rendu détaillé des aspects conceptuels et mathématiques de ces quantités a été explicité dans l’article original de l’équipe RIKEN, et il est conseillé au lecteur de s’y référer.
En conclusion, les calculs de l’équipe de recherche révèlent que dans un système chaotique (tel qu’un trou noir), tout état évoluera vers celui qui est le plus difficile à simuler, autrement dit, un état maximalement magique. Les travaux établissent ainsi un lien solide entre les systèmes chaotiques et l’état magique quantique. Il est également important de noter qu’ils constituent un élément puissant du mécanisme d’émergence de l’espace-temps.
Références
[1] A. Jahn, J. Eisert, “Holographic tensor network models and quantum error correction: A topical review”, Quant. Sc. Tech. 6, 033002 (2021). DOI: 10.1088/2058-9565/ac0293
[2] Mark Van Raamsdonk, “Building up space–time with quantum entanglement”, International Journal of Modern Physics D (2010). DOI: 10.1007/s10714-010-1034-0
[3] Kanato Goto et al, Probing chaos by magic monotones, Physical Review D (2022). DOI: 10.1103/PhysRevD.106.126009
