Le temps va dans une seule direction: en avant. Les petits garçons deviennent des vieillards mais pas l'inverse; les tasses de thé se brisent mais ne se remontent jamais spontanément. Cette propriété cruelle et immuable de l'univers, appelée «flèche du temps», est fondamentalement une conséquence de la deuxième loi de la thermodynamique, qui dicte que les systèmes auront toujours tendance à devenir plus désordonnés avec le temps. Mais récemment, des chercheurs des États-Unis et de la Russie ont un peu plié cette flèche - au moins pour les particules subatomiques.
Dans la nouvelle étude, publiée mardi 12 mars dans la revue Scientific Reports, les chercheurs ont manipulé la flèche du temps à l'aide d'un tout petit ordinateur quantique composé de deux particules quantiques, appelées qubits, qui effectuait des calculs.
À l'échelle subatomique, où les règles étranges de la mécanique quantique dominent, les physiciens décrivent l'état des systèmes à travers une construction mathématique appelée fonction d'onde. Cette fonction est une expression de tous les états possibles dans lesquels le système pourrait être - même, dans le cas d'une particule, tous les emplacements possibles dans lesquels il pourrait se trouver - et la probabilité que le système se trouve dans l'un de ces états à un moment donné . Généralement, au fil du temps, les fonctions des vagues s'étalent; L'emplacement possible d'une particule peut être plus éloigné si vous attendez une heure que si vous attendez 5 minutes.
Annuler la diffusion de la fonction d'onde, c'est comme essayer de remettre le lait renversé dans la bouteille. Mais c'est exactement ce que les chercheurs ont accompli dans cette nouvelle expérience.
"Il n'y a pratiquement aucune chance que cela se produise de lui-même", a déclaré à Live Science Valerii Vinokur, chercheur principal, physicien au Argonne National Laboratory dans l'Illinois. "C'est comme ce dicton, où si vous donnez à un singe une machine à écrire et beaucoup de temps, il peut écrire Shakespeare." En d'autres termes, c'est techniquement possible mais tellement improbable que cela puisse tout aussi bien être impossible.
Comment les scientifiques ont-ils rendu possible l'impossible? En contrôlant soigneusement l'expérience.
"Vous avez vraiment besoin de beaucoup de contrôle pour rassembler toutes les pièces cassées d'une tasse de thé", a déclaré à Live Science Stephen Bartlett, professeur de physique à l'Université de Sydney. Bartlett n'a pas participé à l'étude. "Vous devez avoir beaucoup de contrôle sur le système pour y parvenir ... et un ordinateur quantique est quelque chose qui nous permet d'avoir un énorme contrôle sur un système quantique simulé."
Les chercheurs ont utilisé un ordinateur quantique pour simuler une seule particule, sa fonction d'onde s'étalant dans le temps comme une ondulation dans un étang. Ensuite, ils ont écrit un algorithme dans l'ordinateur quantique qui a inversé l'évolution temporelle de chaque composant de la fonction d'onde, ramenant essentiellement cette ondulation dans la particule qui l'a créée. Ils ont accompli cet exploit sans augmenter l'entropie ou le désordre ailleurs dans l'univers, défiant apparemment la flèche du temps.
Est-ce à dire que les chercheurs ont fabriqué une machine à remonter le temps? Ont-ils violé les lois de la physique? La réponse est non à ces deux questions. La deuxième loi de la thermodynamique dit que l'ordre de l'univers doit diminuer avec le temps mais pas qu'il ne pourra jamais rester le même dans des cas très particuliers. Et cette expérience était suffisamment petite, assez courte et suffisamment contrôlée pour que l'univers ne gagne ni ne perde d'énergie.
"C'est très complexe et compliqué d'envoyer des vagues sur un étang" une fois qu'elles ont été créées, a expliqué Vinokur, "mais nous avons vu que c'était possible dans le monde quantique, dans un cas très simple". En d'autres termes, c'était possible lorsqu'ils ont utilisé le contrôle qui leur était donné par l'ordinateur quantique pour annuler l'effet du temps.
Après avoir exécuté le programme, le système est revenu à son état d'origine 85% du temps. Cependant, lorsqu'un troisième qubit a été introduit, l'expérience n'a réussi que 50% du temps. Les chercheurs ont déclaré que la complexité du système a probablement trop augmenté avec le troisième qubit, ce qui rend plus difficile pour l'ordinateur quantique de garder le contrôle de tous les aspects du système. Sans ce contrôle, l'entropie ne peut pas être tenue en échec, et l'inversion du temps est donc imparfaite. Pourtant, ils visent de plus grands systèmes et de plus grands ordinateurs quantiques pour leurs prochaines étapes, a déclaré Vinokur à Live Science.
"Le travail est une belle contribution aux fondements de la physique", a déclaré James Live Whitfield, professeur de physique au Dartmouth College dans le New Hampshire, qui n'était pas impliqué dans l'étude. "Cela nous rappelle que toutes les applications de l'informatique quantique ne doivent pas être orientées application pour être intéressantes."
"C'est exactement pourquoi nous construisons des ordinateurs quantiques", a déclaré Bartlett. "Il s'agit d'une démonstration que les ordinateurs quantiques peuvent nous permettre de simuler des choses qui ne devraient pas se produire dans le monde réel."
