Superposition of dynamics, indefinite causal order, and quantum histories

Dans le monde quantique, les règles de la cause et de l'effet semblent souvent avoir été renversées. Nous sommes habitués à un univers où les événements se produisent selon une séquence stricte : une cause précède son effet, et le temps s'écoule selon une ligne unique et ininterrompue. Cette intuition est si profondément ancrée dans notre expérience qu'elle constitue le fondement même de notre compréhension de la réalité. Cependant, des expériences récentes ont montré qu'aux échelles les plus petites, les particules peuvent exister dans un état où l'ordre des événements n'est pas fixé. Imaginez deux personnes, Alice et Bob, effectuant des actions sur un système quantique. Dans notre monde quotidien, soit Alice agit en premier et Bob agit en second, soit Bob agit en premier et Alice agit en second. Mais dans le domaine quantique, il est possible que le système existe dans un état où il est véritablement impossible de savoir quelle action a eu lieu en premier, ou même pour que les deux séquences soient vraies en même temps. Ce phénomène, connu sous le nom d'ordre causal indéfini, remet en question nos hypothèses les plus fondamentales sur la structure de l'univers. Pendant des années, les physiciens ont utilisé un outil mathématique spécifique appelé matrice de processus pour décrire ces scénarios étranges, mais la signification physique derrière cet outil est restée un certain mystère. On ne savait pas si cet « ordre indéfini » était une caractéristique fondamentale de l'espace-temps lui-même ou simplement une particularité de la manière dont nous choisissons de mesurer les systèmes quantiques.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Patras a maintenant porté un regard neuf sur ce problème en s'écartant de la manière standard de décrire la mécanique quantique et en utilisant un cadre différent appelé la théorie des histoires (histories theory). Au lieu de se concentrer sur l'état d'un système à un instant donné, cette approche examine toute l'histoire d'un système au fur et à mesure qu'elle se déroule, traitant l'ensemble de la chronologie comme un objet unique. En faisant cela, les auteurs ont pu séparer deux éléments qui sont habituellement entremêlés : l'ordre dans lequel les événements se produisent et les lois physiques qui dirigent l'évolution du système. Ils ont découvert que ce que nous appelons l'ordre causal indéfini est en réalité une version spécifique et limitée d'un phénomène beaucoup plus large et plus général : la superposition de dynamiques. En termes simples, tout comme une particule peut être à deux endroits à la fois, les lois régissant la façon dont un système change au cours du temps peuvent également être en superposition. Les chercheurs ont montré que lorsque vous avez un système dont les règles dynamiques elles-mêmes sont en superposition, et que vous l'observez à travers le prisme d'une mesure, cela peut ressembler exactement aux matrices de processus qui décrivent l'ordre causal indéfini.

L'article révèle que cet « ordre indéfini » n'est pas nécessairement une superposition de différentes structures d'espace-temps, comme certains l'espéraient ou le craignaient. Au contraire, il s'agit d'un effet opérationnel qui surgit lorsque différentes séquences d'interactions interfèrent entre elles. Les auteurs ont identifié deux façons distinctes de concevoir l'ordre indéfini. La première est une version cinématique, où l'ordre des événements est simplement une variable qui peut être en superposition, à l'instar d'une pièce de monnaie qui est à la fois pile et face. La seconde, et la plus pertinente pour le formalisme de la matrice de processus, est une version dynamique. Ici, la superposition ne porte pas sur les événements eux-mêmes, mais sur les processus physiques qui les relient. Les chercheurs ont démontré que si vous prenez un système quantique standard et que vous permettez aux règles de son évolution d'être un mélange cohérent de différentes possibilités, vous générez une structure mathématique qui correspond à la matrice de processus. Cela signifie que les étranges corrélations observées lors d'expériences avec un ordre causal indéfini sont en réalité le résultat de l'évolution d'un système sous une superposition de différentes lois dynamiques.

Crucialement, l'étude précise que ce phénomène ne nécessite pas une rupture de la structure de fond de l'espace-temps. L'ordre causal de l'univers peut rester fixe et bien défini, tandis que l'ordre dans lequel les interventions ou les mesures spécifiques se produisent devient indéfini en raison de la superposition des dynamiques. Les chercheurs ont constaté que pour que cela ressemble à une matrice de processus standard, certaines conditions doivent être remplies concernant la séparation entre le système et les dispositifs de mesure. Si ces conditions ne sont pas remplies, le système présente toujours une superposition de dynamiques, mais il ne produit pas les signatures opérationnelles nettes de l'ordre causal indéfini que nous voyons dans les expériences contrôlées. Cette distinction est vitale car elle suggère que l'ordre causal indéfini n'est pas une propriété fondamentale de la géométrie de l'univers, mais plutôt une manière spécifique dont la dynamique quantique peut se manifester lorsqu'on l'observe d'un certain point de vue.

Le travail aborde également la nature des événements eux-mêmes. Les auteurs définissent un événement non pas comme un point mathématique, mais comme l'émergence d'un enregistrement macroscopique défini, tel qu'un résultat de mesure apparaissant sur un écran. Ils ont montré qu'il est possible de construire une description quantique où le moment où ces événements se produisent est lui-même une variable quantique. Dans cette perspective, l'ordre des événements est une propriété qui peut être mesurée et peut exister en superposition, tout comme la position d'une particule. Cela fournit une séparation logique et claire entre l'ordre des événements physiques et l'ordre des interventions que nous effectuons sur eux. L'étude suggère que l'« ordre causal indéfini » que nous observons en laboratoire est une réalisation opérationnellement restreinte de cette capacité plus profonde et plus générale de la mécanique quantique à superposer différentes histoires dynamiques.

Enfin, cette recherche recadre notre compréhension de la causalité quantique. Elle suggère que l'étrangeté de l'ordre causal indéfini n'est pas le signe que le temps est brisé ou que l'espace-temps est flou. Au contraire, c'est une conséquence naturelle du fait que les lois du mouvement dans le monde quantique peuvent être superposées. Le formalisme de la matrice de processus, qui a été un outil puissant pour décrire ces expériences, est révélé comme un cas particulier de ce phénomène plus large. Les auteurs concluent que, bien que nous ayons réussi à identifier comment ces superpositions de dynamiques génèrent les effets observés, la question de savoir si de telles superpositions peuvent apparaître naturellement dans l'univers, sans nécessiter de contrôle ingénieux ou de post-sélection, reste ouverte. Cela pourrait être pertinent pour les théories de la gravité quantique ou des champs quantiques dans des arrière-plans changeants, où les règles d'évolution pourraient ne pas être uniques. Pour l'instant, l'article fournit un fondement solide et non mathématique pour comprendre que l'ordre de la cause et de l'effet dans le domaine quantique est flexible, non pas parce que le temps est mal défini, mais parce que l'histoire de la façon dont les choses changent peut être racontée de multiples manières, interférant les unes avec les autres simultanément.