C’est en partie parce que les mathématiques dans ce domaine sont très compliquées. En même temps, il est difficile de réaliser des expériences appropriées : il faudrait créer des situations dans lesquelles les phénomènes de la théorie de la relativité jouent un rôle important, par exemple, un espace-temps courbé par des masses lourdes, et en même temps, des effets quantiques deviennent visibles, par exemple la double nature particulaire et ondulatoire de la lumière.

À la TU Wien à Vienne, en Autriche, une nouvelle approche a maintenant été développée à cette fin : un soi-disant « simulateur quantique » est utilisé pour aller au fond de ces questions : au lieu d’étudier directement le système d’intérêt (à savoir quantum particules dans un espace-temps courbe), on crée un « système modèle » à partir duquel on peut ensuite apprendre quelque chose sur le système d’intérêt réel par analogie. Les chercheurs ont maintenant montré que ce simulateur quantique fonctionne parfaitement. Les résultats de cette collaboration internationale impliquant des physiciens de l’Université de Crète, de l’Université technologique de Nanyang et de la FU Berlin sont maintenant publiés dans la revue scientifique Actes de l’Académie nationale des sciences des États-Unis (PNAS).

Apprendre d’un système à un autre

L’idée de base derrière le simulateur quantique est simple : de nombreux systèmes physiques sont similaires. Même s’il s’agit de types de particules ou de systèmes physiques entièrement différents à des échelles différentes qui, à première vue, n’ont pas grand-chose à voir les uns avec les autres, ces systèmes peuvent obéir aux mêmes lois et équations à un niveau plus profond. Cela signifie que l’on peut apprendre quelque chose sur un système particulier en en étudiant un autre.

« Nous prenons un système quantique que nous savons pouvoir contrôler et ajuster très bien dans les expériences », déclare le professeur Jörg Schmiedmayer de l’Institut atomique de la TU Wien. « Dans notre cas, ce sont des nuages ​​atomiques ultrafroids détenus et manipulés par une puce atomique avec des champs électromagnétiques. » Supposons que vous ajustiez correctement ces nuages ​​atomiques afin que leurs propriétés puissent être traduites dans un autre système quantique. Dans ce cas, vous pouvez apprendre quelque chose sur l’autre système à partir de la mesure du système du modèle de nuage atomique – tout comme vous pouvez apprendre quelque chose sur l’oscillation d’un pendule à partir de l’oscillation d’une masse attachée à un ressort métallique : ce sont deux différents systèmes physiques, mais l’un peut être traduit dans l’autre.

L’effet de lentille gravitationnelle

« Nous avons maintenant pu montrer que nous pouvons produire des effets de cette manière qui peuvent être utilisés pour ressembler à la courbure de l’espace-temps », déclare Mohammadamin Tajik du Centre de Vienne pour la science et la technologie quantiques (VCQ) – TU Wien, premier auteur du papier actuel. Dans le vide, la lumière se propage le long d’un soi-disant « cône de lumière ». La vitesse de la lumière est constante ; à des moments égaux, la lumière parcourt la même distance dans chaque direction. Cependant, si la lumière est influencée par des masses lourdes, comme la gravitation du soleil, ces cônes de lumière sont courbés. Les trajets de la lumière ne sont plus parfaitement rectilignes dans des espaces-temps courbes. C’est ce qu’on appelle « l’effet de lentille gravitationnelle ».

La même chose peut maintenant être montrée dans les nuages ​​atomiques. Au lieu de la vitesse de la lumière, on examine la vitesse du son. « Maintenant, nous avons un système dans lequel il y a un effet qui correspond à la courbure de l’espace-temps ou à la lentille gravitationnelle, mais en même temps, c’est un système quantique que vous pouvez décrire avec les théories quantiques des champs », explique Mohammadamin Tajik. « Avec cela, nous avons un outil complètement nouveau pour étudier le lien entre la relativité et la théorie quantique. »

Un système modèle pour la gravité quantique

Les expériences montrent que la forme des cônes de lumière, les effets de lentille, les réflexions et d’autres phénomènes peuvent être démontrés dans ces nuages ​​atomiques précisément comme prévu dans les systèmes cosmiques relativistes. Ce n’est pas seulement intéressant pour générer de nouvelles données pour la recherche théorique fondamentale – la physique du solide et la recherche de nouveaux matériaux rencontrent également des questions qui ont une structure similaire et peuvent donc être résolues par de telles expériences.

« Nous voulons maintenant mieux contrôler ces nuages ​​atomiques pour déterminer des données encore plus étendues. Par exemple, les interactions entre les particules peuvent encore être modifiées de manière très ciblée », explique Jörg Schmiedmayer. De cette façon, le simulateur quantique peut recréer des situations physiques si compliquées qu’elles ne peuvent pas être calculées même avec des superordinateurs.

Le simulateur quantique devient ainsi une nouvelle source d’information supplémentaire pour la recherche quantique, en plus des calculs théoriques, des simulations informatiques et des expériences directes. En étudiant les nuages ​​​​atomiques, l’équipe de recherche espère découvrir de nouveaux phénomènes qui étaient peut-être totalement inconnus jusqu’à présent, qui se produisent également à une échelle cosmique et relativiste – mais sans un regard sur les minuscules particules, ils n’auraient peut-être jamais été découvert.