La question de la nature quantique de la gravité reste l'une des plus brûlantes de la physique fondamentale. La théorie quantique des champs effective de la gravité fonctionne bien en champ faible, mais son applicabilité aux champs forts, par exemple au voisinage des trous noirs, demeure en suspens. Ce travail s'inscrit dans la lignée des recherches qui, par le biais d'expériences de pensée, mettent au jour les exigences logiques de la quantification de la gravité. Des travaux proches par leur thème étudient les fluctuations quantiques des ondes gravitationnelles, la décohérence gravitationnelle et les limites quantiques des mesures, mais cet article est le premier à transposer ces arguments au cas des champs forts.
Les auteurs modifient l'expérience de pensée de Belenchia et de ses coauteurs. Alice prépare un système binaire de masses dans une superposition de deux orientations, créant ainsi un champ de marée. Bob, au lieu d'une particule test, utilise un trou noir en rotation qui, dans la limite newtonienne, se comporte comme un objet quadrupolaire étendu. Le mouvement du trou noir sous l'effet du champ de marée d'Alice engendre des ondes gravitationnelles. Bob mesure ces ondes, en cherchant à obtenir une information sur l'état d'Alice. L'étape clé consiste à prendre en compte les fluctuations quantiques du rayonnement gravitationnel dans le cadre de la théorie effective des champs.
Il est établi que les fluctuations quantiques des ondes gravitationnelles émises par le trou noir en mouvement ne permettent pas à Bob de distinguer les états d'Alice à une distance de type spatial. La fonction de décohérence, qui caractérise le recouvrement des états cohérents des ondes gravitationnelles, est bornée supérieurement par une grandeur qui tend vers zéro lorsque sont réunies les conditions de séparation de type spatial et de préparation lente de la superposition. Cela signifie qu'aucune information ne se propage plus vite que la lumière et que le principe de complémentarité n'est pas violé. Par conséquent, la quantification du rayonnement gravitationnel est nécessaire à la cohérence de la mécanique quantique et de la relativité générale, même en champ fort.
Ce travail étend les arguments sur l'inévitabilité de la quantification de la gravité au régime des champs forts. Contrairement aux études antérieures, qui utilisaient des particules test ou des champs gravitationnels faibles, c'est ici un trou noir en rotation, objet à forte gravité, qui joue le rôle de détecteur. C'est un premier pas vers la démonstration que les effets quantiques du rayonnement gravitationnel doivent aussi se manifester dans des sources astrophysiques, comme les trous noirs en fusion.
Le sujet pourrait se développer vers l'étude des états quantiques des ondes gravitationnelles issues de sources astrophysiques réalistes. En particulier, les non-linéarités dans les oscillations des trous noirs (modes quasi normaux) pourraient conduire à des états non classiques du rayonnement, tels que des états comprimés ou de l'intrication. Cela ouvre la voie à la recherche de signatures quantiques dans les données d'ondes gravitationnelles.
Les résultats auront un impact sur la physique fondamentale, l'astronomie des ondes gravitationnelles et la théorie quantique de l'information.
L'étape suivante pourrait être l'évaluation quantitative des corrections quantiques aux ondes gravitationnelles émises par les trous noirs et la mise au point de méthodes pour les détecter.
Ce travail est directement lié au problème de la quantification de la gravité et à la question de savoir si les effets quantiques se manifestent dans les champs gravitationnels forts. Il touche aussi au problème de la décohérence en présence d'horizons des événements.
L'expérience de pensée met en scène des observateurs nommés Alice et Bob, personnages traditionnels de la cryptographie quantique et de la théorie de l'information.
L'idée d'utiliser des trous noirs comme détecteurs d'états quantiques fait écho au roman de Liu Cixin « Le Problème à trois corps », où les ondes gravitationnelles servent à une communication supraluminique.