La gravité comme bruit : pourquoi les macro-objets perdent leur cohérence quantique ✎
Sur une table de laboratoire, une minuscule particule lévite, retenue par un faisceau laser. Elle se trouve dans une superposition quantique : sa fonction d'onde décrit deux positions à la fois, comme si la particule s'était dédoublée. Mais cet état n'est pas éternel. Le monde extérieur ne cesse de s'en mêler, et la cohérence quantique s'évapore comme la brume matinale. On accuse généralement les collisions avec les molécules de gaz et le bruit électromagnétique. Il existe pourtant un canal plus subtil : la gravité.
La gravité, c'est un chuchotement discret qui se noie dans le vacarme des collisions. Chaque molécule de gaz attire la particule, et si celle-ci se trouve dans une superposition de deux positions, le champ gravitationnel agit différemment sur chacune d'elles. C'est cette différence qui détruit l'interférence quantique. Le problème, c'est que la gravité est à longue portée et impossible à écranter : même un gaz très raréfié peut apporter sa contribution. Les chercheurs de l'université de Kyoto ont bâti une théorie ab initio de ce processus. Ils ont utilisé le formalisme du contour temporel fermé pour tenir compte finement des fluctuations quantiques du champ gravitationnel engendré par le gaz. Pour un gaz raréfié non relativiste, ils ont obtenu une formule analytique :
\[ \Gamma \propto M^2 \Delta x^2 \ln(k_{UV}/k_\sigma) \]
Ici, \(M\) désigne la masse de la particule, \(\Delta x\) la distance entre les deux branches de la superposition, et \(k_{UV}\) et \(k_\sigma\) les échelles ultraviolette et infrarouge. Cette dépendance logarithmique signifie que la décohérence s'accumule lentement, mais qu'elle couvre une immense plage de distances, depuis la taille de la particule elle-même jusqu'à la longueur d'onde des fluctuations thermiques du gaz. Cela rappelle le comportement des divergences infrarouges en électrodynamique quantique, où apparaissent aussi des logarithmes du rapport des masses.
Le résultat peut sembler décevant : le bruit gravitationnel du gaz ne constitue pas un obstacle pour les technologies quantiques. Mais c'est précisément là que réside l'intérêt de ce travail. On ne savait pas clairement si la gravité à longue portée pouvait provoquer une décohérence notable par interaction avec un gaz raréfié, ni comment traiter correctement les effets infrarouges. Aujourd'hui, nous savons que cette contribution existe, mais qu'elle est négligeable. Voilà un repère quantitatif pour les futures expériences qui testeront la nature quantique de la gravité. Si l'on parvient un jour à créer la superposition d'un objet suffisamment massif, le bruit gravitationnel de l'environnement n'empêchera pas d'observer des effets plus fins, liés aux fluctuations quantiques du champ gravitationnel lui-même.
Le formalisme mis au point par les auteurs peut s'étendre à d'autres milieux : photons, neutrinos, matière noire. Prendre en compte le moment quadrupolaire plutôt que l'approximation dipolaire permettra d'affiner le comportement infrarouge. Peut-être apprendrons-nous un jour à mesurer le bruit gravitationnel issu des fluctuations quantiques de la métrique. Alors, le chuchotement discret de la gravité cessera d'être une simple abstraction théorique pour devenir un phénomène observable.
La dépendance logarithmique de la décohérence au rapport entre échelles ultraviolette et infrarouge rappelle le comportement des divergences infrarouges en électrodynamique quantique, où apparaissent également des logarithmes du rapport des masses.
Dans la série « The Expanse », les ordinateurs quantiques à bord des vaisseaux exigent une isolation vis-à-vis des perturbations gravitationnelles, ce qui fait écho à l'idée du bruit gravitationnel comme source de décohérence.