Le temps avance ou recule au niveau quantique ? Des physiciens découvrent des preuves de l'existence de deux flèches du temps dans le domaine quantiqueDes physiciens découvrent des preuves de l'existence de deux flèches du temps dans le domaine quantique. Des chercheurs de l'université du Surrey ont révélé que des flèches temporelles opposées peuvent théoriquement émerger de certains systèmes quantiques.
Et si le temps n'était pas aussi figé que nous le pensions ? Imaginez qu'au lieu de s'écouler dans une seule direction - du passé vers le futur - le temps puisse s'écouler vers l'avant ou vers l'arrière en raison de processus se déroulant au niveau quantique. Depuis des siècles, les scientifiques s'interrogent sur la flèche du temps, c'est-à-dire sur l'idée que le temps s'écoule irréversiblement du passé vers l'avenir.
Fin 2024, une équipe de chercheurs a publié une étude dans laquelle ils affirment avoir démontré que le "temps négatif" n'est pas seulement une idée théorique, mais qu'il existe de manière tangible et physique, et qu'il mérite d'être examiné de plus près. Bien que l'étude ne porte pas directement sur l'informatique quantique, les résultats pourraient avoir des répercussions sur l'amélioration des mémoires quantiques et des systèmes de communication en renforçant le contrôle des interactions photon-atome.
Récemment, des chercheurs de l'université du Surrey ont confirmé que des flèches temporelles opposées peuvent théoriquement émerger de certains systèmes quantiques. Cela semble invraissemblable au vue de notre réalité vécue, cependant, les lois sous-jacentes de la physique ne favorisent pas intrinsèquement une seule direction. Que le temps avance ou recule, les équations restent les mêmes.
Andrea Rocco, professeur en physique et biologie mathématique, et un des auteurs, a expliqué le phénomène :
Une façon d'expliquer cela est d'observer un processus tel que le lait renversé qui se répand sur une table : il est clair que le temps avance. Mais si vous jouez ce processus à l'envers, comme dans un film, vous saurez immédiatement que quelque chose ne va pas - il serait difficile de croire que le lait peut simplement se rassembler à nouveau dans un verre.
Cependant, certains processus, comme le mouvement d'un pendule, semblent tout aussi crédibles à l'envers. L'énigme réside dans le fait qu'au niveau le plus fondamental, les lois de la physique ressemblent au pendule ; elles ne tiennent pas compte des processus irréversibles. Nos résultats suggèrent que si notre expérience commune nous dit que le temps ne se déplace que dans un sens, nous ne sommes pas conscients que la direction opposée aurait été tout aussi possible.
Cependant, certains processus, comme le mouvement d'un pendule, semblent tout aussi crédibles à l'envers. L'énigme réside dans le fait qu'au niveau le plus fondamental, les lois de la physique ressemblent au pendule ; elles ne tiennent pas compte des processus irréversibles. Nos résultats suggèrent que si notre expérience commune nous dit que le temps ne se déplace que dans un sens, nous ne sommes pas conscients que la direction opposée aurait été tout aussi possible.
L'étude a exploré la manière dont un système quantique - le monde subatomique - interagit avec son environnement, connu sous le nom de "système quantique ouvert". Les chercheurs ont cherché à savoir pourquoi nous percevons le temps comme se déplaçant dans une seule direction, et si cette perception émergeait de la mécanique quantique ouverte.
Pour simplifier le problème, l'équipe a posé deux hypothèses clés. Premièrement, ils ont traité le vaste environnement qui entoure le système de manière à pouvoir se concentrer uniquement sur le système quantique lui-même. Deuxièmement, elle a supposé que l'environnement - comme l'univers tout entier - est si vaste que l'énergie et l'information s'y dissipent et n'y reviennent jamais. Cette approche leur a permis d'examiner comment le temps apparaît comme un phénomène à sens unique, même si, au niveau microscopique, le temps pourrait théoriquement se déplacer dans les deux sens.
Même après avoir appliqué ces hypothèses, le système se comportait de la même manière, que le temps se déplace vers l'avant ou vers l'arrière. Cette découverte a fourni une base mathématique à l'idée que la symétrie de renversement du temps existe toujours dans les systèmes quantiques ouverts, ce qui suggère que la flèche du temps n'est peut-être pas aussi fixe que nous le pensons.
Schéma illustrant le concept de la transformation inversée du temps.
Thomas Guff, chercheur en thermodynamique quantique et l'un des auteurs, commente cette découverte :
La partie surprenante de ce projet a été que même après avoir fait l'hypothèse simplificatrice standard de nos équations décrivant les systèmes quantiques ouverts, les équations se comportaient toujours de la même manière, que le système se déplace vers l'avant ou vers l'arrière dans le temps. En étudiant attentivement les mathématiques, nous avons découvert que ce comportement était inévitable car une partie essentielle de l'équation, le « noyau de mémoire », est symétrique dans le temps.
Nous avons également découvert un petit détail important qui est généralement négligé : un facteur discontinu dans le temps est apparu qui maintient intacte la propriété de symétrie dans le temps. Il est inhabituel de voir un tel mécanisme mathématique dans une équation physique parce qu'il n'est pas continu, et il était très surprenant de le voir apparaître si naturellement.
Nous avons également découvert un petit détail important qui est généralement négligé : un facteur discontinu dans le temps est apparu qui maintient intacte la propriété de symétrie dans le temps. Il est inhabituel de voir un tel mécanisme mathématique dans une équation physique parce qu'il n'est pas continu, et il était très surprenant de le voir apparaître si naturellement.
Il y a 2 ans, de nombreux experts affirmaient que la technologie est loin d'être mature et que les attentes à son égard sont exagérées. En d'autres termes, la révolution de l'ordinateur quantique pourrait être plus éloignée et plus limitée que beaucoup ont été amenés à le croire jusqu'ici. Les experts continuent de mettre en garde contre le battage médiatique intense autour de la technologie et invitent les entreprises à faire preuve de prudence. D'autres restent sceptiques à l'égard de l'avenir de la technologie.
Présentation de la symétrie de renversement du temps
Voici un extrait de l'étude :
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Résumé
La dérivation d'une flèche du temps à partir d'une dynamique microscopique symétrique par rapport au temps est un problème ouvert fondamental dans de nombreux domaines de la physique, allant de la cosmologie à la physique des particules, en passant par la thermodynamique et la mécanique statistique. Nous nous concentrons ici sur la dérivation de la flèche du temps dans les systèmes quantiques ouverts et étudions précisément comment la symétrie de renversement du temps est brisée. Cette dérivation implique l'approximation de Markov appliquée à un système interagissant avec un bain de chaleur infini. Nous constatons que l'approximation de Markov n'implique pas une violation de la symétrie de renversement du temps. Nos résultats montrent au contraire que la symétrie de renversement du temps est maintenue dans les équations de mouvement dérivées. Cela impose une formulation symétrique dans le temps du mouvement brownien quantique, des équations de Lindblad et des équations maîtresses de Pauli, qui décrivent donc la thermalisation qui peut se produire dans deux directions temporelles opposées. En conséquence, nous soutenons que ces dynamiques sont mieux décrites par une définition de la Markovianité symétrique dans le temps. Nos résultats peuvent avoir une incidence sur les formulations de la flèche du temps en thermodynamique, en cosmologie et en mécanique quantique.
Conclusion
Toutes les dérivations de la flèche du temps quantique doivent être construites sur la base d'une dynamique microscopique avec une symétrie de renversement du temps. En raison de cette symétrie, les deux directions du temps sont indiscernables lorsqu'on considère l'évolution microscopique d'un système à plusieurs corps. La question de savoir si c'est également le cas pour les descriptions réduites de ces systèmes est au cœur du présent document.
Dans notre dérivation, nous obtenons deux flèches du temps opposées. Nous le démontrons en analysant plusieurs exemples de dynamiques markoviennes réduites résultant de modèles de systèmes quantiques ouverts microscopiques, qui possèdent initialement une symétrie de renversement du temps. Nous étudions en particulier un système interagissant avec un bain d'oscillateurs harmoniques, qui est un modèle hamiltonien standard à partir duquel on peut dériver les équations de base de la dynamique dissipative. Nous constatons que lorsqu'on l'examine de près, la symétrie de renversement du temps persiste dans l'équation de Langevin quantique dérivée et dans l'équation maîtresse du mouvement brownien. C'est également le cas dans les équations maîtresses de Lindblad et de Pauli, qui sont dérivées d'hamiltoniens génériques symétriques par rapport au temps.
À cette fin, il est crucial d'appliquer soigneusement l'approximation de Markov sans imposer implicitement une flèche du temps. L'approximation de Markov est généralement réalisée en choisissant une distribution particulière des fréquences des oscillateurs du bain et des constantes de couplage, de sorte que le bain évolue sur une échelle de temps beaucoup plus rapide que le système. À l'échelle de temps à laquelle le système évolue sensiblement, les effets de l'interaction avec l'environnement sont jusqu'à présent effacés. L'évolution du système n'est donc déterminée que par son état actuel et non par son histoire. Dans ces modèles, la symétrie de renversement du temps est maintenue parce que les noyaux de mémoire sont des fonctions paires du temps, de sorte que la symétrie de renversement du temps persiste indépendamment du choix particulier de la structure du bain qui permet au système d'être approximé comme étant markovien. En conséquence, la propriété de Markov ne fournit pas de flèche du temps au sens d'une violation de la symétrie de renversement du temps, et l'évolution du système est markovienne symétriquement à partir de l'origine du temps. Cela persiste lorsque ces équations sont ramenées à leur limite classique. Nous avons donc un soutien pour l'extension que nous avons proposée à la section 2 de la définition classique de la markovianité et de la propriété du semigroupe quantique pour inclure la symétrie temporelle, qui a été satisfaite par tous les modèles microscopiques analysés dans le présent document.
Nos résultats sont compatibles avec la deuxième loi de la thermodynamique et soulignent la distinction entre les concepts d'irréversibilité et de symétrie inversée dans le temps. Une fois que la flèche du temps et une condition initiale particulière de faible entropie à t = 0 ont été choisies, l'entropie de von Neumann augmentera dans le temps à partir de l'origine temporelle. Cependant, un choix différent de la flèche du temps aurait impliqué la même dynamique. L'approximation de Markov appliquée à l'évolution inversée dans le temps conduit également à la même dissipation et à la même augmentation de l'entropie. Par conséquent, tout état d'équilibre thermique pour une trajectoire en marche avant est également un état thermique d'équilibre pour toute trajectoire inversée dans le temps, et l'entropie augmente dans les deux directions : le système se thermalise dans les deux directions temporelles. Il est intéressant de noter que des conclusions similaires dans le domaine classique ont été tirées précédemment dans dans un contexte de mécanique statistique. Notre dérivation ici est basée sur une image entièrement hamiltonienne.
Par conséquent, la flèche quantique du temps, qui découle de l'augmentation de l'intrication entre un système et son environnement, est divisée en deux flèches lorsque l'approximation de Markov est effectuée, conformément à nos dérivations. L'augmentation de l'intrication, ainsi que le processus de décohérence du système en question, suivent les équations maîtresses quantiques symétriques dans le temps dérivées ici, et se produisent donc symétriquement le long de directions temporelles opposées. Le fait que cela puisse avoir des implications mesurables en termes d'interférence quantique entre les processus avant et arrière a été récemment proposé dans.
En outre, nous pensons que ces résultats...
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Envoyé par marsupial
