L'environnement gravitationnel ne peut pas être blindé, ce qui en fait une source de décohérence particulièrement intéressante car inévitable. Les calculs antérieurs indiquaient que la décohérence gravitonique des superpositions spatiales n'est notable que pour des systèmes dont l'impulsion est de l'ordre de la masse de Planck. Or, on a récemment découvert que la structure dynamique interne du système renforce ce mécanisme. Ce travail poursuit cette direction en ajoutant l'influence du potentiel newtonien classique, et précise ainsi le tableau de la transition du quantique au classique en présence de gravité.
Les auteurs considèrent une particule composite dotée de degrés de liberté externes (position du centre de masse) et internes, en interaction avec le champ gravitationnel quantifié et le potentiel newtonien classique. À l'aide du formalisme du fonctionnel d'influence de Feynman-Vernon, ils suivent l'évolution de la matrice densité réduite des degrés de liberté externes. Les degrés de liberté internes sont modélisés comme un environnement ohmique à haute température. Les gravitons sont considérés dans quatre états initiaux : le vide, l'état thermique, l'état cohérent et l'état comprimé. Pour simplifier, deux configurations de superposition de trajectoires sont analysées : l'une avec une position moyenne constante et une distance variable entre les branches, l'autre avec des chemins qui divergent linéairement.
Dans la limite des temps courts, l'interaction directe avec le bain de gravitons domine, et la décohérence n'apparaît que si le produit de la masse par la vitesse dépasse nettement l'impulsion de Planck. Pour des masses microscopiques, l'effet est négligeable. Toutefois, dans la limite des temps longs, la contribution de l'interaction des gravitons avec les degrés de liberté internes croît comme le cube du temps et finit par l'emporter, rendant la décohérence inévitable même pour des masses microscopiques. Par exemple, pour une molécule de masse d'environ $10^{-22}$ kg, avec une température interne de $10^4$ K et une taille de superposition de l'ordre du nanomètre, le temps de décohérence est d'environ $10^5$ secondes (environ 1,2 jour). La présence du potentiel newtonien ralentit légèrement ce processus. Pour des systèmes sans dynamique interne, la contribution du potentiel newtonien peut conduire à une recoherence formelle, mais les temps correspondants sont comparables à l'âge de l'Univers.
Le travail montre que la structure interne d'un système quantique modifie fondamentalement le comportement à long terme de la décohérence gravitationnelle, en empêchant la saturation caractéristique d'une particule ponctuelle. Cela le distingue des études voisines, qui soit ne considéraient que des particules ponctuelles, soit ne tenaient pas compte de l'influence simultanée du potentiel classique. Le résultat est important pour comprendre les limites de validité de la mécanique quantique et le rôle de la gravité dans le processus de mesure.
Une généralisation aux particules relativistes et aux champs quantiques est envisageable, ainsi qu'à d'autres fonds classiques, par exemple celui de Schwarzschild ou celui d'un Univers en expansion. La question de savoir si des milieux non gravitationnels, comme le champ électromagnétique, peuvent servir de médiateur et amplifier la décohérence gravitationnelle est également intéressante.
Les résultats pourraient influencer l'interprétation des expériences d'interférométrie moléculaire, de nanoparticules en lévitation et de résonateurs mécaniques, même si les temps de décohérence observés restent trop grands pour les installations actuelles.
L'étape suivante pourrait être l'étude de l'influence des milieux non gravitationnels sur l'amplification de la décohérence gravitationnelle, ainsi que l'examen des corrections relativistes et des oscillations de neutrinos.
Le travail est lié au problème fondamental de la transition quantique-classique et au rôle de la gravité dans l'effondrement de la fonction d'onde. Il touche aussi à la question ouverte de savoir si l'on peut confirmer expérimentalement la nature quantique de la gravité par des effets indirects de décohérence.
Pour les gravitons primordiaux, que l'on suppose dans un état fortement comprimé avec un paramètre de compression de l'ordre de 100, le temps de décohérence pourrait diminuer d'un facteur $10^{29}$ par rapport à l'état du vide.
Dans le roman « Quarantine » de Greg Egan, les superpositions quantiques et leur effondrement sous l'action d'un observateur jouent un rôle central. L'idée que l'environnement gravitationnel puisse détruire irrémédiablement la cohérence quantique fait écho à cette intrigue.