For Whom Does Bell Hold?

Les lois de la physique qui régissent les plus petites particules régissent également les structures les plus vastes du cosmos, de la rotation d'un électron à la formation des galaxies. Pendant des décennies, les scientifiques se sont appuyés sur un ensemble spécifique de règles pour faire la différence entre un monde régi par la probabilité classique et un monde régi par la mécanique quantique. Dans le monde classique, les choses possèdent des propriétés définies, que nous les regardions ou non, et les probabilités d'événements sont calculées en additionnant de simples nombres. Dans le monde quantique, les choses existent dans un flou de possibilités jusqu'à ce qu'elles soient mesurées, et les probabilités sont calculées à l'aide de nombres complexes qui peuvent interférer entre eux, créant des motifs impossibles dans le domaine classique. Le moyen le plus célèbre de prouver qu'un système est quantique consiste à mesurer deux propriétés différentes qui ne peuvent être connues simultanément, une méthode connue sous le nom de test de Bell. Cependant, cette méthode échoue lorsque nous observons l'univers dans sa globalité. Nous ne pouvons pas rembobiner le temps pour mesurer l'univers primordial de deux manières différentes, et les observables que nous voyons aujourd'hui, comme la distribution des galaxies, se comportent comme des nombres classiques ordinaires. Cela laisse un mystère profond : si les germes de toute la structure cosmique ont grandi à partir de fluctuations quantiques, comment pouvons-nous le prouver maintenant que ces fluctuations se sont stabilisées en un motif d'apparence classique ?

Une équipe de chercheurs de l'Université de Californie à San Diego a proposé une nouvelle façon de résoudre ce casse-tête en ne regardant pas ce que nous mesurons, mais la façon dont ces mesures changent au fil du temps. Ils suggèrent que l'histoire de l'évolution d'un système contient une empreinte digitale qui distingue une origine quantique d'une origine classique, même lorsque les résultats finaux semblent identiques. Leurs travaux se concentrent sur les corrélations statistiques entre différentes parties d'un système. Dans un système classique, si vous partez de fluctuations aléatoires et que vous les laissez évoluer, les connexions entre les différentes parties du système finiront par s'estomper à mesure que les différentes fréquences de mouvement se déphasent les unes par rapport aux autres, un processus appelé déphasage. Dans un système quantique, cependant, l'état de vide — l'état d'énergie le plus bas possible — se comporte différemment. Même lorsque le système est dans son état le plus calme, les règles quantiques imposent que certaines corrélations existent, lesquelles sont totalement indépendantes du temps. Les chercheurs démontrent que si vous essayez de forcer un système classique à imiter ces corrélations quantiques, il développera inévitablement un type spécifique d'instabilité lorsque les fréquences de ses parties s'alignent parfaitement, une condition connue sous le nom de résonance.

Pour démontrer cela, les auteurs ont construit un modèle théorique utilisant des objets en rotation simples, semblables à de minuscules aimants, placés dans des champs magnétiques. Dans la version quantique de ce modèle, les spins sont placés dans leur état d'énergie le plus bas. Lorsque les chercheurs ont introduit une interaction permettant aux spins d'influencer les uns les autres, les connexions statistiques résultantes entre eux sont restées stables et inchangées, dictées uniquement par les écarts d'énergie entre l'état fondamental et les états excités. Dans la version classique, les spins sont en mouvement constant, précessant comme des toupies. Pour correspondre aux statistiques quantiques, les chercheurs ont dû supposer que les spins commençaient avec des phases aléatoires. Lorsqu'ils ont introduit la même interaction aux spins classiques, le système s'est comporté différemment. Initialement, les corrélations ont crû, mais au fil du temps, les différences aléatoires dans les vitesses des spins ont provoqué l'effacement et le déclin des connexions. La différence la plus frappante est apparue lorsque les chercheurs ont accordé le système à une résonance, où la fréquence d'un spin correspondait aux fréquences combinées des autres. Dans le monde classique, cette résonance a provoqué un pic de corrélation suivi d'un déclin rapide à mesure que le système perdait sa cohérence. Dans le monde quantique, l'état fondamental est resté stable et les corrélations n'ont pas présenté ce déclin résonnant.

Les chercheurs ont généralisé ce constat pour montrer qu'il ne s'agit pas seulement d'une particularité de simples aimants rotatifs, mais d'une caractéristique fondamentale de la manière dont les systèmes quantiques et classiques évoluent. Ils ont découvert que les systèmes classiques, lorsqu'ils sont déformés par des interactions, développent inévitablement un « Hamiltonien résonnant », une description mathématique de la façon dont l'énergie circule entre les parties d'un système lorsque leurs fréquences s'alignent. Ce flux entraîne un comportement dépendant du temps qui finit par s'annuler en moyenne en raison de la nature aléatoire des conditions initiales. Les systèmes quantiques, par contraste, ne possèdent pas ce flux résonnant dans leur état fondamental car le vide est un état stationnaire unique qui ne peut être excité sans ajout d'énergie. Les chercheurs ont montré que cette différence permet un test qui ne nécessite pas de mesurer des variables non commutantes ou de rembobiner l'univers. Au lieu de cela, on peut simplement observer le motif des corrélations dans un système qui a évolué au fil du temps. Si le système est classique, les corrélations montreront des signes d'avoir traversé une phase de résonance, puis auront décliné. Si le système est quantique, les corrélations resteront indépendantes du temps et ne présenteront pas le même schéma de déclin.

Cette approche offre un moyen de distinguer un univers qui aurait commencé avec des fluctuations quantiques d'un univers qui aurait commencé avec des fluctuations classiques, une question qui tourmente les cosmologistes depuis longtemps. Bien que d'autres tests existent, comme la recherche de motifs de bruit spécifiques dans la lumière ou la vérification de valeurs négatives dans les distributions de probabilité, ces méthodes nécessitent souvent des conditions spécifiques ou échouent lorsqu'on n'observe le système que d'une seule manière. La méthode proposée ici repose sur la structure même de l'évolution temporelle. Les auteurs soutiennent que l'apparition de certains pôles, ou singularités mathématiques, dans les corrélations d'un système classique est le signe qu'un système subit une interaction résonnante que le vide quantique ne subit pas. En analysant la façon dont ces corrélations se comportent à mesure que le système évolue, on peut inférer la nature de la physique sous-jacente sans avoir besoin de connaître les détails exacts des forces en jeu.

L'étude place également ce nouveau test dans le contexte d'autres phénomènes quantiques connus, tels que les avantages de vitesse observés dans les ordinateurs quantiques. Bien que les ordinateurs quantiques puissent résoudre certains problèmes plus rapidement que les ordinateurs classiques, les chercheurs notent que cette accélération repose souvent sur des algorithmes spécifiques et ne fournit pas toujours un test direct et indépendant du modèle de l'évolution quantique de la même manière que leur test de corrélation proposé. Ils soulignent que leur travail ne prétend pas avoir résolu le mystère de l'univers quantique, mais fournit un nouvel outil généralisé pour l'étudier. Les résultats suggèrent que la différence entre l'évolution quantique et classique n'est pas seulement une question d'échelle ou de complexité, mais une distinction fondamentale dans la manière dont la probabilité et le temps interagissent. En se concentrant sur les motifs statistiques qui survivent au passage du temps, les scientifiques pourraient enfin lire l'histoire des origines quantiques de l'univers, même lorsque les preuves se sont depuis longtemps stabilisées sous une apparence classique.

Les implications de ce travail s'étendent au-delà de la cosmologie. Les mêmes principes pourraient s'appliquer à tout système fermé où la mécanique quantique est censée jouer un rôle mais où la mesure directe de variables non commutantes est impossible. Qu'il s'agisse du comportement de la matière dans l'univers primordial ou de la dynamique de matériaux quantiques complexes, la capacité de distinguer l'évolution quantique de l'évolution classique basée sur les corrélations dépendantes du temps offre une nouvelle voie à suivre. Les chercheurs concluent que bien que le défi de comprendre la nature quantique de la réalité reste immense, la structure même de l'évolution temporelle pourrait détenir la clé pour la déverrouiller. En observant comment les corrélations croissent, déclinent et résonnent, nous pourrions découvrir que l'univers laisse une signature de sa naissance quantique dans la trame même de son histoire statistique.