Pour la première fois, des physiciens ont fait apparaître que la lumière se déplaçait simultanément vers l’avant et vers l’arrière dans le temps. La nouvelle technique pourrait aider les scientifiques à améliorer l’informatique quantique et à comprendre la gravité quantique.

En divisant un photon, ou un paquet de lumière, à l’aide d’un cristal optique spécial, deux équipes indépendantes de physiciens ont réalisé ce qu’elles décrivent comme un « retournement temporel quantique », dans lequel un photon existe à la fois dans les états temporels avant et arrière.

L’effet résulte de la convergence de deux étranges principes de mécanique quantique, les règles contre-intuitives qui régissent le comportement des tout petits. Le premier principe, la superposition quantique, permet à de minuscules particules d’exister dans de nombreux états différents, ou différentes versions d’elles-mêmes, à la fois, jusqu’à ce qu’elles soient observées. La seconde – symétrie de charge, de parité et d’inversion du temps (CPT) – stipule que tout système contenant des particules obéira aux mêmes lois physiques même si les charges, les coordonnées spatiales et les mouvements des particules dans le temps sont inversés comme à travers un miroir.

En combinant ces deux principes, les physiciens ont produit un photon qui semblait voyager simultanément le long et contre la flèche du temps. Ils ont publié les résultats de leurs expériences jumelles 31 octobre et 2 novembre sur le serveur de préimpression arXiv, ce qui signifie que les résultats n’ont pas encore été examinés par des pairs.

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« Le concept de la flèche du temps donne un mot à l’unidirectionnalité apparente du temps que nous observons dans le monde macroscopique que nous habitons », Teodor Stromberg, un physicien de l’Université de Vienne qui a été le premier auteur de l’un des articles, a déclaré à Drumpe. « Ceci est en fait en tension avec de nombreuses lois fondamentales de la physique, qui sont généralement symétriques dans le temps, et qui n’ont donc pas de direction temporelle préférée. »

La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l’entropie d’un système, un analogue approximatif de son désordre, doit augmenter. Connue sous le nom de « flèche du temps », l’entropie est l’une des rares quantités en physique qui détermine le temps à aller dans une direction particulière.

Cette tendance à la croissance du désordre dans l’univers explique pourquoi il est plus facile de mélanger les ingrédients que de les séparer. C’est aussi à travers ce désordre croissant que l’entropie est si intimement liée à notre sens du temps. Une scène célèbre du roman « Slaughterhouse-Five » de Kurt Vonnegut montre à quel point l’entropie fait regarder différemment une direction du temps en jouant la Seconde Guerre mondiale à l’envers : les balles sont aspirées par les hommes blessés ; les incendies sont réduits, rassemblés en bombes, empilés en rangées soignées et séparés en minéraux composites ; et la flèche inversée du temps défait le désordre et la dévastation de la guerre.

Cependant, comme l’entropie est avant tout un concept statistique, elle ne s’applique pas aux particules subatomiques uniques. En fait, dans toutes les interactions de particules que les scientifiques ont observées jusqu’à présent – y compris jusqu’à 1 milliard d’interactions par seconde qui se produisent à l’intérieur du plus grand brise-atomes du monde, le Large Hadron Drumpe – la symétrie CPT est maintenue. Ainsi, les particules semblant avancer dans le temps sont indiscernables de celles d’un système miroir d’antiparticules reculant dans le temps. (L’antimatière a été créée avec la matière pendant le Big Bang et ne recule pas dans le temps ; elle se comporte simplement comme si elle suivait une flèche de temps opposée à la matière normale.)

L’autre facteur en jeu dans les nouvelles expériences est la superposition. La démonstration la plus célèbre de superposition quantique est le chat de Schrödinger, une expérience de pensée dans laquelle un chat est placé à l’intérieur d’une boîte scellée avec un flacon de poison dont la libération est déclenchée par la désintégration radioactive d’une particule alpha. La désintégration radioactive est un processus mécanique quantique qui se produit au hasard, il est donc initialement impossible de savoir ce qui est arrivé au chat, qui est dans une superposition d’états, simultanément mort et vivant, jusqu’à ce que la boîte soit ouverte et le résultat observé.

Cette superposition d’états permet à une particule d’exister à la fois dans les états temporels avant et arrière, mais il est délicat d’assister à cet exploit de manière expérimentale. Pour y parvenir, les deux équipes ont conçu des expériences similaires pour diviser un photon le long d’une superposition de deux chemins distincts à travers un cristal. Le photon superposé s’est déplacé normalement sur un chemin à travers le cristal, mais un autre chemin a été configuré pour changer la polarisation du photon, ou l’endroit où il pointe dans l’espace, pour se déplacer comme s’il voyageait en arrière dans le temps.

Après avoir recombiné les photons superposés en les envoyant à travers un autre cristal, l’équipe a mesuré la polarisation des photons à travers un certain nombre d’expériences répétées. Ils ont trouvé un motif d’interférence quantique, un motif de rayures claires et sombres qui ne pouvait exister que si le photon avait été divisé et se déplaçait dans les deux sens du temps.

« La superposition des processus que nous avons réalisée s’apparente davantage à un objet tournant dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse des aiguilles d’une montre en même temps », a déclaré Strömberg. Les chercheurs ont créé leur photon inversé dans le temps par curiosité intellectuelle, mais des expériences de suivi ont montré que le temps bascule. peuvent être associés à des portes logiques réversibles pour permettre un calcul simultané dans les deux sens, ouvrant ainsi la voie à des processeurs quantiques avec une puissance de traitement considérablement améliorée.

Des possibilités théoriques naissent également de l’œuvre. Une future théorie de la gravité quantique, qui unirait la relativité générale et la mécanique quantique, devrait inclure des particules d’orientations temporelles mixtes comme celle de cette expérience, et pourrait permettre aux chercheurs de scruter certains des phénomènes les plus mystérieux de l’univers.

« Une belle façon de le dire est de dire que notre expérience est une simulation de scénarios exotiques où un photon pourrait évoluer vers l’avant et vers l’arrière dans le temps », a déclaré Giulio Chiribella, physicien à l’Université d’Oxford et auteur principal de l’autre article. , a déclaré Drumpe. « Ce que nous faisons est analogue à certaines expériences qui simulent une physique exotique, comme la physique des trous noirs ou le voyage dans le temps. »