Une équipe de physiciens du Joint Quantum Institute, de l’Université du Maryland, de l’Université de Californie Berkeley et du Perimeter Institute for Theoretical Physics a mis en place un test de brouillage quantique, un brassage chaotique des informations stockées dans une collection de particules quantiques. L’expérience de l’équipe, réalisée sur un groupe de sept ions, a démontré une nouvelle façon de distinguer le brouillage de la véritable perte d’information.
Le brouillage quantique est une suggestion pour expliquer comment l’information peut tomber dans un trou noir et en ressortir sous forme de rayonnement d’apparence aléatoire. Peut-être, selon l’argument, n’est-elle pas du tout aléatoire et les trous noirs ne sont-ils que d’excellents brouilleurs. Crédit image : E. Edwards / Joint Quantum Institute.
Le brouillage est ce qui se produit lorsque la matière disparaît à l’intérieur d’un trou noir.
L’information attachée à cette matière – l’identité de tous ses constituants, jusqu’à l’énergie et la quantité de mouvement de ses particules les plus élémentaires – est chaotiquement mélangée à toute l’autre matière et information à l’intérieur, ce qui la rend apparemment impossible à récupérer.
Cela conduit à ce que l’on appelle le “paradoxe de l’information du trou noir”, puisque la mécanique quantique dit que l’information n’est jamais perdue, même lorsque cette information disparaît à l’intérieur d’un trou noir.
Ainsi, alors que certains physiciens théoriques affirment que l’information tombant à travers l’horizon des événements d’un trou noir est perdue à jamais, d’autres soutiennent que cette information peut être reconstruite, mais seulement après avoir attendu un temps excessif – jusqu’à ce que le trou noir ait diminué de près de la moitié de sa taille initiale.
Les trous noirs rétrécissent parce qu’ils émettent le rayonnement de Hawking, qui est causé par des fluctuations mécaniques quantiques au bord même du trou noir et qui porte le nom du physicien Stephen Hawking.
Malheureusement, un trou noir de la masse de notre Soleil prendrait environ 10 % de son temps à se résorber.67 ans pour s’évaporer – beaucoup, beaucoup plus longtemps que l’âge de l’Univers.
Cependant, il pourrait être possible de récupérer ces informations plus rapidement en mesurant les intrications subtiles entre le trou noir et le rayonnement de Hawking qu’il émet.
Deux bits d’information – comme les bits quantiques, ou qubits, dans un ordinateur quantique – sont enchevêtrés lorsqu’ils sont si étroitement liés que l’état quantique de l’un détermine automatiquement l’état de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare.
Les physiciens parlent parfois d’action étrange à distance, et les mesures de qubits intriqués peuvent conduire à la téléportation d’informations quantiques d’un qubit à un autre.
“On peut récupérer l’information tombée dans le trou noir en effectuant un calcul quantique massif sur ces photons de Hawking sortants. On s’attend à ce que cela soit très, très difficile, mais si l’on en croit la mécanique quantique, cela devrait, en principe, être possible. C’est exactement ce que nous faisons ici, mais pour un minuscule “trou noir” de trois qubits à l’intérieur d’un ordinateur quantique de sept qubits”, a déclaré Norman Yao, membre de l’équipe et physicien à l’université de Californie à Berkeley.
“En laissant tomber un qubit intriqué dans un trou noir et en interrogeant le rayonnement de Hawking émergent, vous pourriez théoriquement déterminer l’état d’un qubit à l’intérieur du trou noir, offrant ainsi une fenêtre sur les abysses.”
Dans leurs expériences, les chercheurs ont effectivement mesuré les fonctions de corrélation hors du temps (OTOC), qui sont créées en comparant deux états quantiques qui diffèrent dans le moment où certains coups de pied ou perturbations sont appliqués. La clé est de pouvoir faire évoluer un état quantique à la fois vers l’avant et vers l’arrière dans le temps pour comprendre l’effet de ce deuxième coup sur le premier.
L’équipe a créé un circuit quantique de brouillage sur trois qubits dans un ordinateur quantique à sept qubits à ions piégés et a caractérisé la désintégration résultante de l’OTOC.
Alors que la désintégration de l’OTOC est généralement considérée comme une indication forte que le brouillage a eu lieu, pour le prouver, l’équipe a dû démontrer que l’OTOC ne s’est pas simplement désintégré à cause de la décohérence, c’est-à-dire qu’il n’était pas seulement mal protégé du bruit du monde extérieur, qui provoque également la désintégration des états quantiques.
Les scientifiques ont prouvé que plus la précision avec laquelle ils pouvaient récupérer les informations enchevêtrées ou téléportées était grande, plus ils pouvaient fixer une limite inférieure à la quantité d’informations téléportées.le brouillage qui s’est produit dans l’OTOC.
Ils ont mesuré une fidélité de téléportation d’environ 80 %, ce qui signifie que la moitié de l’état quantique était peut-être brouillée et que l’autre moitié s’est désintégrée par décohérence. Néanmoins, cela a suffi à démontrer qu’un brouillage authentique s’était effectivement produit dans ce circuit quantique à trois qubits.
“Avec le brouillage, l’information d’une particule se mélange ou se répand dans l’ensemble du système. Elle semble perdue, mais elle est en fait toujours cachée dans les corrélations entre les différentes particules”, a déclaré Kevin Landsman, un étudiant diplômé du Joint Quantum Institute.
“Indépendamment de la question de savoir si les vrais trous noirs sont de très bons brouilleurs, l’étude du brouillage quantique en laboratoire pourrait fournir des informations utiles pour le développement futur de l’informatique quantique ou de la simulation quantique”, a déclaré Chris Monroe, physicien à l’université du Maryland.
La recherche est publiée dans le journal Nature.
