La théorie de l’information devrait nous permettre de mieux comprendre la gravité quantique
La théorie de l’information, soit la discipline scientifique sous-tendant notre monde en réseau qui repose sur le stockage numérique et les communications par Internet, les ordinateurs et les smartphones, commence à influencer la physique. Considérés comme des porteurs d’information, les systèmes physiques et leurs interactions peuvent désormais être examinés et compris sous de nouveaux angles d’approche. Le projet Space-Time from Info, financé par l’UE, met en application la théorie de l’information pour commencer à développer un nouveau paradigme qui considère la structure de l’espace-temps comme découlant du flux d’informations entre ses constituants microscopiques. Aventures dans l’espace-temps Le projet Space-Time from Info prend son origine dans la perspective selon laquelle la micro-architecture de l’univers, tel un réseau de systèmes physiques, peut, en une analogie grossière, être comparée au fonctionnement d’Internet. Le projet a entrepris d’améliorer notre compréhension de la gravité quantique pour expliquer la structure à grande échelle qui nous est familière et que nous observons autour de nous (comme le système planétaire, les galaxies et le cosmos) comme un ensemble de phénomènes collectifs émergeant de processus d’échange d’information en micro-réseaux. Pour expliquer la singularité de cette approche, le professeur Caslav Brukner, coordinateur du projet, explique que «la perspective traditionnelle consiste à considérer qu’à l’origine était l’espace-temps, puis à réfléchir aux types de flux d’information possibles en son sein. Or ici, nous partons du point de vue que l’on ne peut pas fondamentalement considérer l’un sans l’autre, et que dans un sens, ils peuvent coïncider». La gravité quantique a pour objectif de décrire comment la structure de l’espace-temps que nous observons autour de nous à l’échelle immense de notre univers, et qui est bien décrite par la relativité générale, n’est pas en soi fondamentale mais plutôt qu’elle émerge uniquement en tant que limite spécifique d’une théorie quantique de l’espace-temps. En tant que chercheur principal et boursier Marie Curie, le Dr Philipp Höhn explique que «cette perspective est analogue à l’émergence de la physique mécanique classique à la limite classique de la mécanique quantique. Pour l’expliquer simplement: bien qu’un ballon de football soit constitué de beaucoup de systèmes quantiques sous la forme d’atomes, il peut lui-même être décrit par les lois classiques du mouvement de Newton». Le projet a utilisé le système quantique le plus élémentaire, le qubit, et le fait qu’il est possible de coder toutes les directions spatiales de l’espace réel dans lequel nous vivons dans l’état quantique d’un qubit. Cela est uniquement possible parce que l’espace réel et l’état espace du qubit sont tridimensionnels. Comme le précise le Dr Höhn, «de cette manière, les observateurs ou agents à distance peuvent communiquer des informations directionnelles complètes, par exemple pour synchroniser leurs cadres de référence, en utilisant les systèmes quantiques les plus élémentaires comme les porteurs d’information». Exploiter cette observation permet aux chercheurs de déduire une structure de l’espace-temps à partir de la communication des systèmes quantiques entre des agents, ce qui n’était pas évident auparavant. Ce qui rend cela surprenant, c’est que les recherches se sont poursuivies sans présupposer un espace-temps spécifique dès le départ. Remodeler notre perception de l’espace-temps L’idée de base qui sous-tendait le projet était la suivante: si l’espace-temps impose des contraintes quant à déterminer quels sont les processus de la théorie de l’information qui peuvent être physiquement mis en œuvre et comment cela peut se faire, à l’inverse, les propriétés informationnelles (par exemple la faisabilité même de certaines tâches de communication) peuvent tout autant imposer des contraintes à la structure de l’espace-temps. Le projet a permis d’établir un plan de route pour une approche de la gravité quantique qui repose sur le réseau informationnel et qui s’accorde avec les récents développements en physique des hautes énergies. Comme l’explique le Dr Höhn, «il suggère en particulier d’utiliser la force de corrélation entre les sous-systèmes quantiques pour en déduire une notion de distance et donc de géométrie. Cela repose sur l’observation que, sous certaines conditions, plus les systèmes disposent d’informations les uns sur les autres, plus ils sont proches». Bien qu’il n’y ait pas d’applications pratiques immédiates à ce projet, les travaux en recherche fondamentale possèdent ce pouvoir de potentiellement remodeler notre perception elle-même de l’espace et du temps, et au bout du compte, de notre univers.
Mots‑clés
Space-time from Info, gravité quantique, relativité générale, théorie de l’information, réseau, qubit, géométrie, univers
