L'interférométrie du temps propre

L'interférométrie du temps propre est un concept théorique et expérimental fascinant qui se situe au carrefour de la physique quantique et de la relativité générale d'Einstein. Dans les interféromètres classiques (comme ceux qui utilisent la lumière ou des ondes de matière), on mesure le déphasage accumulé le long de deux chemins différents dans l'espace. En mécanique quantique, avec la superposition d'états, une particule (et son onde associée) peut se trouver et se déplacer à deux endroits simultanément, à des vitesses différentes. Selon la relativité, le temps propre d'une particule dépend de son potentiel gravitationnel et de sa vitesse. Ce nouvel interféromètre divise une particule en une superposition d'états. Si une branche est placée dans un champ gravitationnel différent ou si elle se déplace différemment, les deux branches ne mesurent plus le même temps propre, ce qui génère une interférence mesurable. En d'autres mots, dans un tel contexte expérimental, l'horloge d'une particule peut battre à deux rythmes différents simultanément. C'est ce type d'interférométrie à laquelle est parvenue une équipe plus tôt cette année. Ce phénomène peut être utilisé pour tester avec une extrême précision le principe d'équivalence d'Einstein (qui stipule que la gravitation et l'accélération sont indiscernables). Un tel dispositif peut permettre, à terme, de cartographier les variations locales du champ gravitationnel terrestre avec une extrême précision, voire de détecter des ondes gravitationnelles à très basse fréquence. Si on peut parler, sur un plan clairement expérimental, de deux branches de temps propre d'une même particule, c'est donc qu'on peut concevoir ici un type de bifurcation temporelle. 

Ce premier accroc au temps linéaire ne pouvait pas être destiné à rester isolé bien longtemps. Pour être juste, une série d'expériences l'a précédé pour faire émerger une autre catégorie de phénomènes propre à interroger les fondements intuitifs que nous avons de la causalité. S'il y a un concept qui nécessite l'existence d'un temps linéaire, c'est bien la causalité. Et pourtant, même cette dernière ne semble pas épargnée par ce trouble-fête qu'est la physique quantique.

Le quantum switch ou interrupteur quantique 

Un interrupteur quantique (quantum switch) est un dispositif expérimental qui permet de placer l'ordre de deux événements (par exemple, le passage d'un photon à travers deux cristaux) dans une superposition quantique, signifiant que l'action A précède l'action B et que l'action B précède l'action A simultanément. Pour reprendre les mots du physicien Hippolyte Dourdent, c'est l'équivalent d'un chat de Schrödinger causal, on parle de superposition d'ordres causaux ou, pour l'exprimer autrement, on réalise un dédoublement temporel de la causalité.

Dès 2015, une équipe est parvenue à un tel résultat expérimental. Aussi étrange que puisse nous paraître un tel phénomène, son utilité a très vite été envisagée dans le domaine du calcul quantique. À vrai dire, l'idée d'une bifurcation spatio-temporelle avait été imaginée dès 1957 par le physicien Hugh Everett dans un tout autre contexte qui excluait toute vérification expérimentale possible. On pourrait grossièrement la décrire comme une théorie des mondes multiples bourgeonnants. Chaque monde créé devant rester séparé à tout jamais de tous les autres. Ce qu'il y a de stimulant pour l'esprit avec le phénomène d'interrupteur quantique, c'est que ce type de bifurcation causale ne dure qu'un moment : les deux branches temporelles s'unifient ensuite à nouveau. Un peu comme une route qui arrive à un carrefour giratoire et qui en ressort à l'autre bout. 

De jour en jour, la mécanique quantique, tout comme sa grande sœur la relativité, nous entraînent de plus en plus loin des conceptions, si chères à notre intuition, de l'espace et du temps. Dans le dernier article de cette série, je m'attarderai sur un autre de ces écarts intuitifs.