Les trous noirs sont des monstres gravitationnels, pressant le gaz et la poussière jusqu'à un point microscopique comme de grands compacteurs de déchets cosmiques. La physique moderne dicte qu'après avoir été consommée, les informations sur cette question doivent être perdues à jamais dans l'univers. Mais une nouvelle expérience suggère qu'il pourrait y avoir un moyen d'utiliser la mécanique quantique pour avoir un aperçu de l'intérieur d'un trou noir.
"En physique quantique, les informations ne peuvent pas être perdues", a déclaré à Live Science Kevin Landsman, étudiant diplômé en physique au Joint Quantum Institute (JQI) de l'Université du Maryland à College Park. "Au lieu de cela, l'information peut être cachée ou brouillée" parmi les particules subatomiques inextricablement liées.
Landsman et ses co-auteurs ont montré qu'ils pouvaient mesurer quand et à quelle vitesse les informations étaient brouillées à l'intérieur d'un modèle simplifié de trou noir, offrant un aperçu potentiel des entités autrement impénétrables. Les résultats, qui paraissent aujourd'hui (6 mars) dans la revue Nature, pourraient également aider au développement des ordinateurs quantiques.
Les trous noirs sont des objets infiniment denses et infiniment petits formés par l'effondrement d'une étoile géante morte qui est devenue une supernova. En raison de leur attraction gravitationnelle massive, ils aspirent les matériaux environnants, qui disparaissent derrière ce que l'on appelle leur horizon d'événement - le point passé auquel rien, y compris la lumière, ne peut s'échapper.
Dans les années 1970, le célèbre physicien théoricien Stephen Hawking a prouvé que les trous noirs peuvent rétrécir au cours de leur vie. Selon les lois de la mécanique quantique - les règles qui dictent le comportement des particules subatomiques à de minuscules échelles - des paires de particules surgissent spontanément juste à l'extérieur de l'horizon des événements d'un trou noir. L'une de ces particules tombe ensuite dans le trou noir tandis que l'autre est propulsée vers l'extérieur, volant un petit smidgeon d'énergie dans le processus. Sur des échelles de temps extrêmement longues, suffisamment d'énergie est volée pour que le trou noir s'évapore, un processus connu sous le nom de rayonnement Hawking, comme Live Science l'a déjà signalé.
Mais une énigme se cache dans le cœur infiniment dense du trou noir. La mécanique quantique dit que les informations sur une particule - sa masse, son élan, sa température, etc. - ne peuvent jamais être détruites. Les règles de la relativité stipulent simultanément qu'une particule qui a zoomé au-delà de l'horizon des événements d'un trou noir s'est jointe à l'écrasement infiniment dense au centre du trou noir, ce qui signifie qu'aucune information à ce sujet ne peut plus être récupérée. Jusqu'à présent, les tentatives pour résoudre ces exigences physiques incompatibles n'ont pas abouti; les théoriciens qui ont travaillé sur le problème appellent le dilemme le paradoxe de l'information du trou noir.
Dans leur nouvelle expérience, Landsman et ses collègues ont montré comment obtenir un certain soulagement pour ce problème en utilisant la particule volant vers l'extérieur dans une paire de radiations Hawking. Parce qu'il est enchevêtré avec son partenaire infaillible, ce qui signifie que son état est inextricablement lié à celui de son partenaire, la mesure des propriétés de l'un peut fournir des détails importants sur l'autre.
"On peut récupérer les informations déposées dans le trou noir en effectuant un calcul quantique massif sur ces sorties", a déclaré Norman Yao, physicien à l'Université de Californie, Berkeley, et membre de l'équipe, dans un communiqué.
Les particules à l'intérieur d'un trou noir ont vu toutes leurs informations quantiquement mécaniquement "brouillées". Autrement dit, leurs informations ont été mélangées de manière chaotique d'une manière qui devrait rendre impossible leur extraction. Mais une particule enchevêtrée qui s'embrouille dans ce système pourrait potentiellement transmettre des informations à son partenaire.
Faire cela pour un trou noir du monde réel est désespérément compliqué (et d'ailleurs, les trous noirs sont difficiles à trouver dans les laboratoires de physique). Le groupe a donc créé un ordinateur quantique qui effectuait des calculs à l'aide de bits quantiques intriqués, ou qubits - l'unité de base de l'information utilisée dans l'informatique quantique. Ils ont ensuite mis en place un modèle simple utilisant trois noyaux atomiques de l'élément Ytterbium, qui étaient tous enchevêtrés les uns avec les autres.
En utilisant un autre qubit externe, les physiciens ont pu dire quand les particules du système à trois particules se sont brouillées et ont pu mesurer comment elles se brouillaient. Plus important encore, leurs calculs ont montré que les particules étaient spécifiquement brouillées les unes avec les autres plutôt qu'avec d'autres particules de l'environnement, a déclaré à Live Science Raphael Bousso, un physicien théoricien d'UC Berkeley qui n'était pas impliqué dans le travail.
"C'est une magnifique réalisation", a-t-il ajouté. "Il s'avère que distinguer laquelle de ces choses arrive réellement à votre système quantique est un problème très difficile."
Les résultats montrent comment les études sur les trous noirs mènent à des expériences qui peuvent sonder de petites subtilités en mécanique quantique, a déclaré Bousso, qui pourraient devenir utiles dans le développement de futurs mécanismes de calcul quantique.
