Protocole de Téléportation Quantique Rétrocausale

Le voyage dans le temps a longtemps captivé l’imagination humaine, reléguée au domaine de la science-fiction et de la fantaisie. Cependant, des développements récents en physique quantique suggèrent que, au moins au niveau quantique, les effets rétrocausaux – où les événements futurs influencent le passé – pourraient être non seulement possibles, mais aussi testables expérimentalement. Le protocole de téléportation rétrocausale, proposé par des chercheurs d’institutions telles que le Laboratoire Hitachi Cambridge, l’Institut Paul Scherrer et l’Université du Maryland, représente une approche novatrice de l’exploration de ces paradoxes temporels à travers le prisme de la mécanique quantique.

Alors que la physique classique présente un univers déterministe où la cause doit précéder l’effet, la mécanique quantique et la théorie de la relativité brossent un tableau plus nuancé. Il existe déjà des exemples bien connus de la théorie de la relativité, comme les trous de ver, qui sont des solutions valides des équations de champ d’Einstein. De même, en mécanique quantique, l’état non classique de l’intrication quantique – l’« action étrange à distance » qui a troublé Einstein – démontre que les systèmes quantiques peuvent maintenir des corrélations instantanées à travers l’espace et, potentiellement, à travers le temps.

Ce qui est peut-être le plus intrigant, c’est que le protocole suggère que l’intrication quantique peut être utilisée pour envoyer efficacement des informations sur les paramètres de mesure optimaux « dans le temps » – des informations qui ne seraient normalement disponibles qu’après la fin d’une expérience. Cette capacité, bien que probabiliste par nature, pourrait révolutionner l’informatique quantique et les techniques de mesure. Les avancées récentes dans le domaine de l’enchevêtrement hybride multipartite suggèrent même que ces effets pourraient être obtenus dans des conditions réelles, malgré le bruit et les interférences de l’environnement. La réalisation d’un tel réseau de calcul quantique rétrocausal correspondrait en fait à la construction d’une machine à remonter le temps, définie en général comme un système dans lequel un phénomène caractéristique uniquement de la violation de la chronologie peut être observé de manière fiable.

Cet article explore les fondements théoriques, les propositions expérimentales, les améliorations significatives et les applications potentielles du protocole de téléportation rétrocausale. De ses origines dans la mécanique quantique et la théorie de la relativité à ses implications pour notre compréhension de la causalité et de la nature du temps lui-même, nous examinons comment cette recherche de pointe remet en question nos intuitions classiques tout en ouvrant de nouvelles possibilités pour la technologie quantique. En approfondissant ces concepts, nous verrons comment la notion apparemment fantastique de voyage dans le temps trouve une expression subtile mais profonde dans le domaine quantique, ce qui pourrait révolutionner notre approche de l’informatique et de la mesure quantiques tout en approfondissant notre compréhension de la trame temporelle de l’univers.

Introduction

La physique newtonienne classique donne une image du monde prévisible, déterministe et, pour certains, sensée. Les systèmes physiques et les interactions entre particules peuvent être expliqués par la force, la masse (F = ma) et les lois du mouvement de Newton. En outre, une notion de la mécanique classique qui semble relever du bon sens est qu’il existe des relations de cause à effet très précises, les événements passés déterminant les conditions actuelles, et jamais l’inverse. En physique classique, cela permettrait, du moins en théorie, de décrire complètement l’état passé et la trajectoire future d’un système avec une précision absolue en extrapolant à partir de sa configuration actuelle. Cependant, avec la relativité et la mécanique quantique, ce que l’on appelle la physique non classique, le comportement de la nature devient un peu plus, disons, « non linéaire », et même dans le cadre du modèle standard, certaines notions classiques associées à la mécanique newtonienne deviennent obsolètes.

L’une de ces situations est ce que l’on appelle les courbes temporelles fermées (CTC), qui sont essentiellement des « boucles » dans l’espace-temps qui peuvent naturellement émerger des équations du champ d’Einstein (EFE) dans certaines circonstances – par exemple, les CTC sont naturellement émergentes dans la solution de Gödel de l’EFE – et décrivent une trajectoire (appelée ligne du monde en relativité) qui revient au même point dans l’espace et le temps, décrivant effectivement une géométrie de l’espace-temps permettant le voyage dans le temps, ou à tout le moins la perte de la distinction causale « avant » et « après » car, comme l’a décrit Einstein : « …la distinction « avant-après » est abandonnée pour les points du monde qui sont très éloignés l’un de l’autre au sens cosmologique, et ces paradoxes, concernant la direction de la connexion causale, apparaissent, dont M. Gödel a parlé » [1].

Nous voyons donc que les courbes temporelles fermées apparaissent assez facilement dans la relativité et sont prédites dans les systèmes naturels, par exemple dans l’ergosphère des trous noirs. Ces boucles causalement ambiguës apparaissent également en physique quantique parce que le vide quantique est un état intriqué, avec des corrélations non classiques dans les régions spatiales et temporelles. Cela signifie qu’il existe des connexions non locales entre des régions causalement séparées dans l’espace et le temps, c’est-à-dire des courbes temporelles fermées. Cela donne lieu à des effets tels que la thermalisation d’Unruh et l’émission de photons à partir du vide – récemment observés et mesurés– qui se produisent parce que l’état du champ électromagnétique dans le vide présente une intrication quantique intrinsèque entre les états passés et futurs [2, 3, 4]. Cela soulève la question suivante : l’intrication peut-elle être utilisée pour influencer des événements « passés » ?

Le fait que les CTC se retrouvent à la fois dans la relativité et dans la mécanique quantique a une réponse potentiellement directe, qui peut témoigner de la pertinence physique des boucles temporelles fermées dans l’espace-temps. La solution vient lorsqu’on réalise que l’intrication quantique – parfois appelée paires de Bellou corrélations d’Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) – est une géométrie de l’espace-temps multiplement connectée, également connue sous le nom de ponts d’Einstein-Rosen (ER) tels que ER=EPR [5] (une résolution du paradoxe EPR, proposée pour la première fois par Einstein, Podolsky, et Rosen). Ainsi, la relativité et la mécanique quantique affirment toutes deux que le voyage dans le temps est possible, certains effets observables étant le résultat de connexions non locales ou de « boucles » d’enchevêtrement spatio-temporel, et des aspects aussi fondamentaux que la symétrie temporelle semblant exiger la rétrocausalité [6, 7]. En 1991, le physicien David Deutsch a proposé un CTC quantique et a évalué l’importance de la rétrocausalité dans le MQ :

« Plusieurs effets nouveaux et distinctifs (mais non paradoxaux) de la mécanique quantique se produisent sur et à proximité de [courbes] temporelles fermées, y compris des violations du principe de correspondance et de l’unitarité. Il devient possible de « cloner » des systèmes quantiques et de mesurer l’état d’un système quantique. Un nouveau test expérimental de l’interprétation d’Everett [Many Worlds] par rapport à toutes les autres devient possible. La prise en compte de ces effets et d’autres encore permet de mieux comprendre la nature de la mécanique quantique. – DavidDeutsch, « Quantum mechanics near closed timelike lines », Phys. Rev. D, vol. 44, no. 10, pp. 3197-3217, Nov. 1991, doi : 10.1103/PhysRevD.44.3197.

Deutsch soutenait que le voyage quantique dans le temps n’entraînerait pas de violation de la causalité, car si une particule remontait le temps et, par exemple, se détruisait elle-même, il n’y aurait pas de paradoxe car, comme Deutsch le proposait via l’interprétation evertienne des mondes multiples, la particule détruite se trouverait dans une branche distincte du multivers et n’affecterait pas l’histoire totale du multivers de la particule existante restante. Ainsi, dans certaines considérations (appelées D-CTC), le multivers est inclus dans les considérations sur les interactions rétrocausales, ce qui permet d’éviter certaines contradictions ou paradoxes apparents.

En outre, des résultats intéressants commencent à émerger lorsque l’on considère la théorie quantique des champs dans les espaces-temps courbes (QFT en CST) – nous nous concentrerons ici sur quelques spécificités et non sur les ramifications plus générales d’une théorie unifiée des champs– car nous pouvons analyser le comportement des systèmes quantiques, comme les qubits, en présence de courbes temporelles fermées, par exemple en modélisant les non-linéarités qui découlent de l’interaction d’un qubit avec une version plus ancienne de lui-même dans un CTC [8]. L’étude de ces systèmes fournit des informations précieuses sur les non-linéarités et l’émergence de structures causales en mécanique quantique, ce qui est essentiel pour toute formulation d’une théorie quantique de la gravité.

De manière significative, ils ont des implications pour les théories quantiques du voyage dans le temps. En physique quantique, il existe un programme expérimental généralement appelé téléportation quantique (QT) qui permet le transfert d’états d’information quantiques via un canal classique en tirant parti de la forte corrélation entre les systèmes quantiques intriqués (les protocoles QT ont également été utilisés pour transférer de l’énergie et pourraient bientôt permettre de vérifier la conjecture ER = EPR). La téléportation quantique standard repose sur l’intrication quantique et la communication classique pour transférer l’état d’une particule d’un endroit à un autre sans transférer directement la particule elle-même (le canal de communication classique garantit que les signaux ne sont pas transférés instantanément ou plus rapidement que la lumière).

Comprendre la téléportation quantique

Avant d’explorer l’expérience proposée pour envoyer un état quantique « en arrière » dans le temps, il convient d’établir une compréhension générale du protocole QT. La téléportation quantique transfère un état quantique entre deux parties (Alice et Bob) en utilisant l’intrication et la communication classique (figure 1). Les principales étapes sont les suivantes

1. Création de l’intrication:
   • Alice et Bob partagent une paire de qubits intriqués.
2. État de téléportation:
   • Alice dispose d’un qubit supplémentaire avec l’état quantique ∣ψ⟩| qu’elle souhaite téléporter.
3. Mesure de l’état de Bell:
   • Alice effectue une mesure de l’état de Bell sur son qubit (à téléporter) et sur sa moitié de la paire intriquée, effondrant le système dans l’un des quatre états intriqués possibles.
4. Communication classique:
   • Alice envoie le résultat de la mesure (deux bits classiques) à Bob.
5. Reconstruction de l’état:
   • Bob applique une opération quantique correspondante (par exemple, portes X, Z) à son qubit sur la base du résultat d’Alice, recréant ainsi parfaitement ∣ψ⟩|.

Note: L’état original ∣ψ⟩| est détruit au cours du processus, ce qui préserve le théorème de non-clonage.

L’état de l’art

Les progrès des protocoles de TSQ ont bénéficié de manière significative des développements en matière d’échange d’intrication et d’efficacité des mesures de l’état de Bell (BSM), ces dernières étant nommées d’après les célèbres formulations de l’inégalité de Bell qui définissent la nature non classique de certains résultats de mesure avec des systèmes quantiques, tels que les qubits photoniques (photons intriqués utilisés pour créer des bits quantiques). Ces innovations sont essentielles pour améliorer la fiabilité et l’évolutivité des réseaux de communication quantique, ce qui donne une applicabilité technologique directe aux techniques de QT. Par exemple, les améliorations apportées à l’ échange d’intrication ont, y compris la distribution étendue d’intrication, dans laquelle l’échange d’intrication permet l’intrication de deux particules qui n’ont jamais interagi directement, ce qui facilite l’extension des liens intriqués à travers des nœuds distants dans un réseau quantique (cette technique est similaire aux protocoles de récolte d’intrication, dont nous avons récemment parlé dans des articles récents). Ce principe est fondamental pour le développement de répéteurs quantiques, qui sont essentiels pour la communication quantique à longue distance. En outre, des améliorations des BSM ont été réalisées grâce à des techniques telles que la téléportation quantique boostée [9].

La combinaison de l’échange d’intrication et de l’amélioration de l’efficacité des BSM est cruciale pour le développement des répéteurs quantiques. Ces dispositifs facilitent la distribution de l’intrication sur de longues distances en segmentant le canal de communication en liens plus courts et en échangeant l’intrication entre eux [10]. Ces avancées devraient également faciliter la conception de réseaux quantiques hybrides, car les progrès des protocoles d’échange d’intrication ont permis l’interconnexion de systèmes quantiques hétérogènes, notamment en reliant des nœuds à variables discrètes et à variables continues, en utilisant essentiellement la nature à la fois particulaire (discrète) et ondulatoire (continue) de la lumière [11]. Cette capacité est vitale pour la réalisation de réseaux quantiques polyvalents et robustes.

Le QT est non seulement un outil essentiel pour le développement de systèmes et de réseaux d’informatique quantique, mais aussi une pierre angulaire pour les protocoles de communication sécurisés et infalsifiables. Ces applications promettent de faire progresser la technologie dans des domaines tels que la cryptographie, l’informatique distribuée et la connectivité mondiale. Des études récentes ont montré que ces possibilités sont proches de la réalisation expérimentale, deuxième étape de la mise en œuvre complète de la non-localité quantique dans la technologie.

Pour ceux qui sont tournés vers l’avenir, il existe une nouvelle classe passionnante de protocoles de téléportation qui pourraient permettre des tests expérimentaux remarquables de la théorie quantique, par exemple pour tester la rétrocausalité en mécanique quantique – la capacité d’effectuer des opérations pour changer l’état passé d’un système quantique, comme un qubit – par exemple en effectuant une téléportation post-sélectionnée (P-CTCs) [12]. Si l’intrication est une sorte de non-localité spatiale, l’action rétrocausale est une sorte de non-localité temporelle et devrait être tout aussi réalisable que l’intrication de quanta séparés dans l’espace. Cela signifie que, tout comme l’intrication est utilisée dans les protocoles de téléportation quantique pour les réseaux et l’informatique quantiques, ceux-ci peuvent être considérablement améliorés grâce à des protocoles d’intrication rétrocausale qui peuvent améliorer la robustesse quantique à pas de géant. Ils révèlent également des propriétés fondamentales de notre réalité, comme les interactions rétrocausales ou transtemporelles (nonlocalité dans l’espace et le temps), dans lesquelles les états futurs ou présents peuvent affecter – ou être la cause de manière rétroactive – des états passés.

La mécanique quantique du voyage dans le temps

Les chercheurs ont découvert que la mécanique quantique des courbes temporelles fermées permet effectivement le voyage dans le temps quantique, qui diffère de la conception classique du voyage dans le temps à plusieurs égards, le plus important étant que les protocoles proposés ne permettent pas de violations causales paradoxales et ont principalement des implications pour l’amélioration des mesures quantiques – ce que l’on appelle la métrologie quantique, qui sont des techniques qui peuvent tirer parti de certains effets pour surmonter les limites de l’observation et de la mesure conventionnelles– et pour l’augmentation potentielle de la puissance de calcul.

Ce qui est intéressant dans les phénomènes microscopiques ou quantiques, c’est qu’ils peuvent avoir une mécanique rétrocausale sans violer la théorie de la relativité ou le principe fort de causalité, à savoir qu’une cause doit toujours précéder ses effets. En relativité, le principe fort peut être reformulé comme suit : « aucune information ne peut être envoyée plus vite que la vitesse de la lumière », ce qui peut être appelé le principe faible de causalité. Un exemple clair de la façon dont la mécanique quantique peut être rétrocausale sans violation apparente des principes forts ou faibles de causalité est donné dans la revue de David Pegg intitulée Retrocausality and Quantum Measurement (Rétrocausalité et mesure quantique) [13]. L’électromagnétisme classique (EM) implique des équations quadratiques qui, une fois résolues, donnent deux réponses, qui reviennent essentiellement à une solution dans laquelle une charge oscillante (un émetteur) génère un rayonnement EM qui va « en avant dans le temps » (ce que, pour des raisons historiques, on appelait des « potentiels retardés ») et, simultanément, un absorbeur qui a envoyé un rayonnement avancé avant que l’émetteur n’ait envoyé les potentiels avancés et que l’énergie dissipée par l’émetteur soit due à la force de réaction radiative de l’absorbeur, de sorte que l’événement précédent (rayonnement émis et perte d’énergie par l’oscillateur chargé) est causé par l’événement futur (absorption du rayonnement).

Étant donné que le rayonnement avancé implique des potentiels avancés qui agissent rétro-causalement sur l’émetteur, il est omis dans l’interprétation classique parce qu’il semblerait violer le principe fort de causalité. Cependant, deux brillants physiciens, John Wheeler et Richard Feynman, ont réévalué la théorie de l’électromagnétisme et ont élaboré une formulation qui conserve à la fois les potentiels retardés et avancés : c’est ce qu’on appelle la théorie de l’absorbeur de Wheeler-Feynman pour le rayonnement. Cette théorie constitue la base de l’interprétation transactionnelle de la mécanique quantique de Cramer. Bien que la théorie de l’absorbeur contrevienne au principe fort de causalité, dans un univers aux propriétés d’absorption parfaites, elle ne viole pas le principe faible (aucun message macroscopique ne peut être envoyé dans le temps entre deux observateurs) et prédit exactement les mêmes résultats vérifiables expérimentalement que la théorie conventionnelle de l’électrodynamique, qui est unidirectionnelle dans le temps.

Il existe d’autres exemples dans lesquels une explication rétrocausale semble être plus précise que la mécanique réelle impliquée, comme le problème de la rétrodiction en mécanique quantique– la rétrodiction quantique implique de trouver les probabilités pour divers événements de préparation étant donné un événement de mesure – dans lequel l’évolution temporelle à rebours d’un BSM sur un état quantique inconnu pour influencer la préparation de l’état avant qu’il ne soit envoyé s’avère être l’explication la plus facile [14].

Nous utilisons une image quantique rétrocausale pour examiner la possibilité de préparer un état de qubit évoluant vers l’avant dans le temps de manière normale, puis d’envoyer cet état dans le passé où il apparaît comme un état de qubit identique évoluant vers l’avant qui peut être mesuré de manière normale ou utilisé à d’autres fins. Nous constatons que cela ne peut se faire que sur une base probabiliste qui ne viole pas la causalité faible, mais cela reste utile pour l’application principale, à savoir la mesure d’un état de qubit optique quantique avant qu’il ne soit préparé.

Dans l’exemple donné par Pegg, les CTC en mécanique quantique pourraient permettre un calcul quantique instantané sans violer le principe faible de causalité (pas de signalisation FTL). Bien que l’existence de courbes temporelles fermées soit hypothétique, elles peuvent être simulées de manière probabiliste par des circuits QT.

La mécanique quantique peut-elle nous permettre d’envoyer efficacement des informations dans le passé ? Des recherches sont nécessaires pour répondre à cette question, et des progrès ont récemment été réalisés grâce à une nouvelle étude menée par des chercheurs du laboratoire Hitachi Cambridge, de l’université de Cambridge, de l’Institut Paul Scherrer, de l’ETH Zürich et de l’université du Maryland. Les chercheurs ont conçu une expérience pour tester la question de la non-localité quantique dans le temps avec une nouvelle tournure de la méthode hypothétique de longue date des P-CTC, de la rétrodiction quantique et de l’informatique quantique instantanée. Dans leur article intitulé « Nonclassical Advantage in Metrology Established via Quantum Simulations of Hypothetical Closed Timelike Curves », les chercheurs décrivent une expérience de pensée dans laquelle l’intrication quantique est utilisée pour simuler l’envoi d’informations dans le passé par l’intermédiaire d’un CTC [15], via les procédures de base de QT, mais avec l’inclusion d’une particule dans un état quantique spécialement préparé qui est envoyé « dans le passé » via l’interaction de paires EPR intriquées (une sorte de circuit quantique intriqué) pour changer l’état d’une particule dans le passé ; un mécanisme rétrocausal. Si le voyage dans le temps reste du domaine de la science-fiction, les chercheurs montrent comment les circuits quantiques peuvent simuler de manière probabiliste les CTC d’une manière qui offre un avantage pratique pour les mesures quantiques. Le protocole est décrit comme suit (figure 2) :

On peut constater que le principe de base suit les éléments du protocole de téléportation conventionnel, mais au lieu de transférer l’état quantique de la particule A à la particule D, la particule D est préparée dans l’état idéal dans lequel l’expérimentateur souhaite que la particule A se trouve. Lors de l’interaction de la paire de particules intriquées de la particule A, B, il existe une faible probabilité que la mesure de l’état de Bell se propage « en arrière » dans le temps pour être projetée sur la particule A, modifiant ainsi rétroactivement l’état quantique de la particule A pour lui donner le spin désiré. Comme ce phénomène ne peut pas être utilisé pour envoyer des messages dans le temps, il ne viole pas le principe faible de causalité et est donc pleinement compatible avec la relativité, qui, dans tous les cas, a des solutions qui sont des CTC. Les CTC comme la « boucle de la boucle » de la téléportation rétrocausale offrent-elles une vérification empirique des CTC de la relativité ? De sorte qu’elles ne devraient pas être rejetées comme les potentiels avancés dans l’électrodynamique quantique (viz-a-viz la théorie de l’absorbeur de Wheeler-Feynman).

L’idée maîtresse est que la manipulation de l’intrication quantique peut effectivement permettre à un métrologue quantique de « renvoyer dans le temps » des informations sur les paramètres de mesure optimaux, informations qui ne seraient normalement disponibles qu’une fois l’expérience terminée. Si cette simulation de voyage dans le temps échoue parfois, lorsqu’elle réussit, elle permet d’effectuer des mesures qui extraient plus d’informations par sonde qu’il ne serait classiquement possible de le faire.

Ce travail démontre un lien fascinant entre l’enchevêtrement quantique et les effets rétrocausaux apparents qui peuvent générer des avantages opérationnels réels interdits par la physique classique. Bien qu’il ne s’agisse pas d’un véritable voyage dans le temps, il montre comment les propriétés étranges de la mécanique quantique peuvent être exploitées de manière inattendue et remettre en question nos notions habituelles de causalité, tout en permettant potentiellement des améliorations pratiques en matière de détection et de mesure quantiques.

Plus important encore peut-être, la compréhension de la mécanique complète de ce qui se produit au cours des protocoles rétrocausaux permet de mieux comprendre la théorie quantique elle-même. Comme les protocoles P-CTC ne violent pas le principe de causalité faible, ils ne peuvent pas être utilisés pour des communications plus rapides que la lumière et, de cette manière, les résultats restent les mêmes que dans les formalismes quantiques orthodoxes ; la seule différence réside dans l’interprétation de ce qui se produit. L’hypothèse d’un mécanisme rétrocausal supprime la nécessité d’une « réduction d’état » ou d’un effondrement de la fonction d’onde (décrivant une superposition). Cela offre certains avantages conceptuels, et peut-être une plus grande compatibilité avec la relativité (par exemple, les CTC et ER = EPR) pour une théorie pleinement convaincante de la physique unifiée.

« Notre expérience Gedankenexperiment démontre que l’intrication peut générer des avantages opérationnels interdits par les théories classiques respectant la chronologie. » – Arvidsson-Shukur et al, 2024 [15].

L’expérience n’a pas encore été réalisée et les données les plus récentes proviennent uniquement d’une simulation du scénario, mais elles prouvent la faisabilité du protocole proposé, qui est pour le moins inhabituel ; imaginez que vous disiez à vos amis et collègues que vous travaillez sur une expérience de téléportation de particules dans le temps.

Calcul quantique instantané probabiliste

Le protocole de téléportation rétrocausale découle de la notion connexe de rétrodiction en mécanique quantique, qui, comme nous l’avons vu, s’explique plus facilement par un mécanisme rétrocausal. Un corollaire très intéressant qui émerge également de cette ligne de recherche – et qui a des implications significatives pour la technologie du calcul quantique – est que le principe de téléportation peut être utilisé pour effectuer un calcul quantique avant même que son entrée quantique ne soit définie [16]. Cela permettrait effectivement un calcul quantique instantané en utilisant l’état d’intrication des qubits dont l’état passé est accessible via de futures mesures de l’état de Bell (BSM).

Cette procédure met essentiellement en œuvre les méthodologies QT et P-CTC pour recevoir, de manière probabiliste, certains résultats d’un calcul quantique instantanément, de sorte que si un calcul quantique prendrait normalement un temps arbitrairement long, un protocole P-CTC peut être utilisé pour obtenir l’état de sortie exact instantanément. La procédure hypothétique est décrite comme suit (figure 3) :

Le voyage quantique dans le temps peut-il être utilisé au-delà de l’amélioration des ordinateurs quantiques, par exemple pour envoyer des personnes « en arrière » dans le temps ? Certains des initiateurs du concept de P-CTC, comme Seth Lloyd, mettent en garde contre de telles notions parce que les protocoles de téléportation rétrocausale nécessitent actuellement une forte intrication quantique, qui exige un isolement rigoureusement contrôlé, et qu’il est donc impossible que toutes les particules d’un corps humain entier soient préparées dans un état d’intrication forte et permettent une activité trans-temporelle. Cependant, des avancées récentes dans les techniques de téléportation ont permis de découvrir que le QT peut être atteint en présence d’interactions environnementales (bruit) en utilisant l’enchevêtrement hybride multipartite de systèmes à corps multiples [17]. Il ne faut donc pas écarter cette possibilité d’emblée, car certains éléments indiquent que les principes faibles et forts de causalité peuvent, dans des circonstances particulières, être contournés et que le réseau d’intrication à connexions multiples de l’espace-temps [18] est accessible même à des systèmes quantiques de grande taille comme l’homme.

Faits marquants

Le protocole de téléportation rétrocausale représente l’une des frontières les plus fascinantes de la physique quantique, où la notion classique de cause et d’effet rencontre l’étrange domaine quantique. Grâce à une manipulation minutieuse de l’enchevêtrement quantique, les chercheurs ont démontré théoriquement qu’il était possible d’influencer des états quantiques dans le passé, sans violer les principes fondamentaux de la relativité ou de la causalité qui régissent notre univers.

Le protocole s’appuie sur les techniques classiques de téléportation quantique, qui permettent déjà de transférer des états quantiques d’un endroit à l’autre en utilisant l’intrication et la communication classique. Toutefois, cette nouvelle approche fait entrer la téléportation quantique dans un territoire inexploré en exploitant les courbes temporelles fermées (CTC), des constructions théoriques qui émergent naturellement des équations de champ d’Einstein et de la mécanique quantique. Alors que le voyage dans le temps relève encore du domaine de la science-fiction, ces simulations quantiques des CTC pourraient apporter des avantages pratiques en matière de métrologie et d’informatique quantiques.

Plus remarquable encore, le protocole rétrocausal suggère que l’intrication quantique peut être utilisée pour envoyer efficacement des informations sur les paramètres de mesure optimaux « dans le temps », informations qui ne seraient normalement disponibles qu’une fois l’expérience terminée. Bien que ce processus soit probabiliste et ne puisse être utilisé pour communiquer plus vite que la lumière ou envoyer des objets macroscopiques dans le temps, il démontre que la mécanique quantique continue de remettre en question notre compréhension conventionnelle de la causalité et de la flèche du temps.

Les implications vont bien au-delà de la physique théorique pure. La possibilité d’effectuer des calculs quantiques avant même que leurs entrées ne soient définies, comme le démontre le calcul quantique probabiliste instantané, pourrait révolutionner la technologie de l’informatique quantique. Les progrès récents dans le domaine de l’enchevêtrement hybride multipartite suggèrent que ces effets pourraient être obtenus même dans des conditions bruyantes, dans le monde réel. En outre, certains chercheurs, comme Stuart Hameroff et Daniel Sheehan, à la pointe de l’exploration de la physique de la conscience, ont expliqué en détail comment la rétrocausalité peut faire partie intégrante de la compréhension des processus d’information sensibles dans la matière biologique [19, 20]. Les mécanismes quantiques rétrocausaux peuvent expliquer certains comportements du cerveau, et la vérification expérimentale auxiliaire de ces effets en général soutiendra la théorie selon laquelle ils jouent un rôle important dans le système biologique.

Alors que nous continuons à sonder les frontières entre la mécanique quantique et la relativité, le protocole de téléportation rétrocausale nous rappelle avec force que notre univers est bien plus étrange et interconnecté que ne le suggère la physique classique. La nature multiplement connectée de l’espace-temps grâce à l’enchevêtrement quantique – élégamment capturée dans la correspondance ER=EPR – laisse entrevoir une réalité plus profonde où le passé, le présent et le futur sont peut-être plus intimement liés que nous ne l’avons jamais imaginé.

Si le voyage dans le temps de la science-fiction est encore bien trop avancé pour notre compréhension actuelle de l’espace-temps, ces protocoles quantiques ouvrent de nouvelles fenêtres sur la nature même du temps, suggérant que la causalité au niveau quantique est bien plus subtile et fascinante que notre expérience quotidienne ne le laisse supposer. En continuant à développer et à affiner ces techniques, nous pourrions non seulement faire progresser nos capacités technologiques, mais aussi remodeler fondamentalement notre compréhension de la trame temporelle de la réalité.

Références

1.  Schilpp, Paul Arthur, and Albert Einstein. Albert Einstein, Philosopher-Scientist. [1st ed.], Library of Living Philosophers, 1949. “Einsteins’s Reply to Criticisms in relation to Epistemological Problems in Atomic Physics.” Accessed: Dec. 02, 2024. [Online]. Available: https://www.marxists.org/reference/archive/einstein/works/1940s/reply.htm.

2.  S. J. Olson and T. C. Ralph, “Entanglement between the Future and the Past in the Quantum Vacuum,” Phys. Rev. Lett., vol. 106, no. 11, p. 110404, Mar. 2011, doi: 10.1103/PhysRevLett.106.110404.

3.  S. J. Olson and T. C. Ralph, “Extraction of timelike entanglement from the quantum vacuum,” Phys. Rev. A, vol. 85, no. 1, p. 012306, Jan. 2012, doi: 10.1103/PhysRevA.85.012306. 

4.  A. Higuchi, S. Iso, K. Ueda, and K. Yamamoto, “Entanglement of the vacuum between left, right, future, and past: The origin of entanglement-induced quantum radiation,” Phys. Rev. D, vol. 96, no. 8, p. 083531, Oct. 2017, doi: 10.1103/PhysRevD.96.083531.

5.  J. Maldacena and L. Susskind, “Cool horizons for entangled black holes,” Fortschritte der Physik, vol. 61, no. 9, pp. 781–811, 2013, doi: 10.1002/prop.201300020.

6.  Matthew S. Leifer and Matthew F. Pusey. “Is a time symmetric interpretation of quantum theory possible without retrocausality?” Proceedings of The Royal Society A. DOI: 10.1098/rspa.2016.0607 .

7.  Huw Price, “Does time-symmetry imply retrocausality? How the quantum world says “Maybe”?, Studies in History and Philosophy of Science B: Studies in History and Philosophy of Modern Physics. DOI: 10.1016/j.shpsb.2011.12.003.

8.  M. Ringbauer, M. A. Broome, C. R. Myers, A. G. White, and T. C. Ralph, “Experimental simulation of closed timelike curves,” Nat Commun, vol. 5, no. 1, p. 4145, Jun. 2014, doi: 10.1038/ncomms5145.

9.  S. E. D’Aurelio, M. J. Bayerbach, and S. Barz, “Boosted quantum teleportation,” Jun. 07, 2024, arXiv: arXiv:2406.05182. doi: 10.48550/arXiv.2406.05182.

10.  S. Pirandola, J. Eisert, C. Weedbrook, A. Furusawa, and S. L. Braunstein, “Advances in quantum teleportation,” Nature Photon, vol. 9, no. 10, pp. 641–652, Oct. 2015, doi: 10.1038/nphoton.2015.154.

11.  T. Darras et al., “Teleportation-based Protocols with Hybrid Entanglement of Light,” in 2021 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), May 2021, pp. 1–2. Accessed: Dec. 03, 2024. [Online]. Available: https://ieeexplore.ieee.org/document/9571386?utm_source=chatgpt.com.

12.  S. Lloyd, L. Maccone, R. Garcia-Patron, V. Giovannetti, and Y. Shikano, “Quantum mechanics of time travel through post-selected teleportation,” Phys. Rev. D, vol. 84, no. 2, p. 025007, Jul. 2011, doi: 10.1103/PhysRevD.84.025007.

13.  D. T. Pegg, “Retrocausality and Quantum Measurement,” Found Phys, vol. 38, no. 7, pp. 648–658, Jul. 2008, doi: 10.1007/s10701-008-9224-2.

14.  D. T. Pegg, S. M. Barnett, and J. Jeffers, “Quantum retrodiction in open systems,” Phys. Rev. A, vol.66, no. 2, p. 022106, Aug. 2002, doi: 10.1103/PhysRevA.66.022106.

15.  D. R. M. Arvidsson-Shukur, A. G. McConnell, and N. Yunger Halpern, “Nonclassical Advantage in Metrology Established via Quantum Simulations of Hypothetical Closed Timelike Curves,” Phys. Rev. Lett., vol. 131, no. 15, p. 150202, Oct. 2023, doi: 10.1103/PhysRevLett.131.150202.

16.  Č. Brukner, J.-W. Pan, C. Simon, G. Weihs, and A. Zeilinger, “Probabilistic instantaneous quantum computation,” Phys. Rev. A, vol. 67, no. 3, p. 034304, Mar. 2003, doi:10.1103/PhysRevA.67.034304.

17.  Zhao-Di Liu, Olli Siltanen, Tom Kuusela, Rui-Heng Miao, Chen-Xi Ning, Chuan-Feng Li, Guang-Can Guo, Jyrki Piilo. Overcoming noise in quantum teleportation with multipartite hybrid entanglement. Science Advances, 2024; 10 (18) DOI: 10.1126/sciadv.adj3435.

18.  N. Haramein, W. D. Brown, and A. Val Baker, “The Unified Spacememory Network: from Cosmogenesis to Consciousness,” Neuroquantology, vol. 14, no. 4, Jun. 2016, doi: 10.14704/nq.2016.14.4.961.

19. D. P. Sheehan, “Thinking Backwards about Time,” Timing Time Percept., vol. 12, no. 2, pp. 208–212, Jan. 2024, doi: 10.1163/22134468-bja10103.

20. S. Hameroff, “How quantum brain biology can rescue conscious free will,” Front Integr Neurosci, vol. 6, p. 93, Oct. 2012, doi: 10.3389/fnint.2012.00093.