From Quantum Cryptography to Intuitionism and beyond: relativity, many-worlds and non-locality

La science s'est longtemps colletée avec la nature de la réalité, en particulier avec le comportement étrange des plus petites particules de l'univers. Pendant des décennies, les physiciens ont débattu pour savoir si le monde est fondamentalement déterminé, comme une machine d'horlogerie où chaque événement futur est fixé par le passé, ou s'il est véritablement ouvert, avec de nouvelles possibilités émergeant à mesure que le temps progresse. Cette question touche à la trame même de notre compréhension du temps, de l'espace et de l'information. Si le futur est déjà écrit, alors l'univers est un bloc statique où rien de nouveau ne se produit jamais. Si, cependant, le futur est non écrit, alors l'univers est un lieu où de nouvelles choses sont véritablement créées d'un instant à l'autre. Cette distinction n'est pas seulement philosophique ; elle change la façon dont nous interprétons les lois de la physique, en particulier lorsqu'il s'agit de traiter les corrélations bizarres entre des particules qui semblent s'influencer instantanément à travers de vastes distances.

Dans un article écrit pour le soixantième anniversaire de son collègue et ami Gilles Brassard, le physicien Nicolas Gisin explore ces questions profondes en proposant une nouvelle façon de penser la création d'informations dans l'univers. Gisin suggère que la nature pourrait avoir une limite sur la vitesse à laquelle elle peut générer de nouvelles informations. Il soutient que, bien que l'univers puisse créer de nouveaux faits, il ne peut pas le faire de manière infiniment rapide. Cette idée, qu'il développe parallèlement à une approche mathématique appelée intuitionnisme, offre une perspective nouvelle sur la raison pour laquelle le monde ne devient pas un désordre chaotique de possibilités infinies et sur la manière dont les règles étranges de la mécanique quantique pourraient s'articuler avec la théorie de la relativité d'Einstein.

L'article commence par remettre en question la vision standard selon laquelle les nombres que nous utilisons pour décrire le monde sont complets et fixes. Dans les mathématiques traditionnelles, on suppose qu'un nombre comme la température d'une pièce possède une valeur précise à chaque instant, même si nous ne la connaissons pas. Gisin, s'appuyant sur une branche des mathématiques où les nombres sont construits au fil du temps, suggère que pour de nombreuses quantités physiques, la valeur précise n'existe pas tant que le temps n'a pas passé et que la valeur n'est pas déterminée. Dans cette vue, le futur n'est pas un script caché attendant d'être lu ; il est véritablement ouvert. Une température dans dix ans, par exemple, n'a aucune valeur actuellement. Elle n'est pas simplement inconnue pour nous ; elle est ontologiquement indéterminée, ce qui signifie que la nature elle-même n'a pas encore décidé de ce qu'elle sera. À mesure que le temps s'écoule, de nouveaux bits d'information sont créés, et l'univers fait des choix qui n'étaient pas prédéterminés.

Ce concept d'un futur ouvert mène à une proposition spécifique concernant les limites de la nature. Gisin imagine un scénario où un système, tel qu'un gaz de molécules, évolue d'une manière hautement sensible à ses conditions initiales. Dans une vision déterministe standard, le système suit un chemin unique et précis. Mais si les conditions initiales ne sont pas infiniment précises — si elles ne contiennent qu'une quantité finie d'information — alors le chemin du système finira par se diviser. Les différentes possibilités s'écarteront, et la nature devra finalement choisir quel chemin emprunter. Gisin suggère que la nature ne peut créer de nouvelles informations qu'à un taux limité. Si un système tente d'évoluer vers un état qui nécessite une quantité énorme de nouvelles informations pour le décrire entièrement d'un coup, la nature pourrait ne pas pouvoir suivre le rythme.

Pour illustrer cela, Gines examine un système de vingt minuscules particules magnétiques, appelées spins. Si ces particules sont disposées de manière classiquement chaotique, leur version quantique devient très rapidement intriquée. L'intrication est un état où les particules sont liées si profondément qu'elles doivent être décrites comme un groupe unique plutôt que comme des individus. Pour décrire ce groupe, la nature devrait générer une quantité massive de nouvelles informations en une fraction de seconde. Gisin propose que si la nature est limitée dans sa capacité à produire cette information rapidement, elle pourrait être contrainte de diviser le système en parties plus petites et gérables. Au lieu de créer un état intriqué unique et massif pour ces vingt particules, la nature pourrait créer deux groupes plus petits de dix. Cette limitation pourrait empêcher l'univers d'évoluer en un bloc unique et infiniment complexe de matière intriquée. Si cette idée est exacte, cela signifierait que l'interprétation des « mondes multiples » de la mécanique quantique, qui suggère que chaque possibilité se réalise dans une branche séparée de la réalité, est incorrecte car la nature ne peut pas générer l'information requise pour soutenir tous ces embranchements simultanément.

L'article se tourne ensuite vers la relation entre cet avenir ouvert et la théorie de la relativité. Un grand puzzle de la physique a été de réconcilier l'idée d'événements aléatoires et imprévisibles avec la règle d'Einstein stipulant que rien ne peut voyager plus vite que la lumière. Certains physiciens ont soutenu que si le futur est véritablement aléatoire, il doit violer la relativité. Gisin n'est pas d'accord. Il propose que les faits ne sont pas absolus ; ils sont relatifs à leur emplacement dans l'espace et le temps. Lorsqu'un événement aléatoire se produit, comme la mesure d'une particule, le résultat ne devient un fait qu'à l'intérieur d'une région spécifique de l'espace-temps appelée le cône de lumière futur. En dehors de cette région, l'événement ne s'est pas encore produit, et le résultat n'existe pas.

Cela signifie que deux événements se produisant à des endroits différents peuvent être corrélés sans que l'un ne cause l'autre instantanément. Imaginez deux générateurs de nombres aléatoires placés loin l'un de l'autre. S'ils produisent des nombres identiques, ce n'est pas parce que l'un a envoyé un signal à l'autre. Au contraire, la corrélation est un événement non local unique qui se manifeste aux deux endroits. Le fait qu'ils correspondent est vrai uniquement là où les deux cônes de lumière futurs se chevauchent. Avant leur chevauchement, les résultats sont indéterminés. Cette vision, que Gisin appelle la « relativité de l'indétermination », permet les connexions étranges observées dans les expériences quantiques sans nécessiter d'« action fantôme à distance ». Elle suggère que l'univers n'est pas une collection d'objets séparés s'influençant les uns les autres, mais un processus unique où de nouvelles informations sont créées localement et se propagent à la vitesse de la lumière.

Gisin reconnaît qu'il s'agit d'une idée audacieuse et qu'il n'a pas de solution complète au problème de la mesure, qui est la question de savoir exactement quand et comment ces quantités indéterminées deviennent définies. Il suggère que la nature pourrait avoir un mécanisme pour décider quand faire un choix, peut-être lorsque la quantité d'information requise pour décrire un système excède ce qui peut être créé dans un temps donné. Ce n'est pas un fait prouvé, mais une hypothèse qui pourrait mener à de nouvelles prédictions et technologies. Si la nature est effectivement limitée dans sa capacité à créer de l'information, cela pourrait avoir des implications sérieuses pour les ordinateurs quantiques, qui reposent sur la création de quantités massives d'intrication. Si l'univers ne peut pas générer cette intrication assez rapidement, les ordinateurs quantiques pourraient faire face à des limites fondamentales plus sévères que ce que l'on pense actuellement.

L'article conclut en soulignant que cette nouvelle perspective ne nécessite ni observateurs ni agents conscients pour rendre l'univers réel. La création de nouvelles informations est un processus physique qui se produit indépendamment de toute observation. Gisin écrit cela en l'honneur de son ami Gilles Brassard, un pionnier de la cryptographie quantique, pour célébrer une vie entière passée à explorer les frontières de l'information et de la réalité. En combinant l'idée mathématique que les nombres sont construits au fil du temps avec l'idée physique que la création d'information est limitée, Gisin offre une vision d'un univers dynamique, ouvert et fondamentalement créatif. C'est un monde où le futur n'est pas une destination fixe, mais un paysage qui est en train d'être dessiné, un nouveau fait à la fois.