Alice et Bob, les vedettes de tant d’expériences de pensée préparent le dîner quand des accidents s’ensuivent. Alice fait tomber accidentellement une assiette; le son fait sursauter Bob, qui se brûle sur le poêle et crie. Dans une autre version des événements, Bob se brûle et crie, faisant tomber une assiette à Alice.

Au cours de la dernière décennie, les physiciens quantiques ont exploré les implications d’une étrange réalisation: en principe, les deux versions de l’histoire peuvent se produire en même temps. Autrement dit, les événements peuvent se produire dans un ordre causal indéfini, où «A cause B» et «B cause A» sont simultanément vrais.

«Cela semble scandaleux», a admis Časlav Brukner, physicien à l’Université de Vienne.

La possibilité découle du phénomène quantique connu sous le nom de superposition, où les particules maintiennent simultanément toutes les réalités possibles jusqu’au moment où elles sont mesurées. Dans des laboratoires en Autriche, en Chine, en Australie et ailleurs, les physiciens observent un ordre causal indéfini en plaçant une particule de lumière (appelée photon) dans une superposition de deux états. Ils soumettent ensuite une branche de la superposition au processus A suivi du processus B, et soumettent l’autre branche à B suivi de A. Dans cette procédure, connue sous le nom de commutateur quantique, le résultat de A influence ce qui se passe en B, et vice versa; le photon subit simultanément les deux ordres causaux.

Au cours des cinq dernières années, une communauté grandissante de physiciens quantiques a implémenté le commutateur quantique dans des expériences sur table et a exploré les avantages qu’offre un ordre causal indéfini pour l’informatique quantique et la communication. C’est «vraiment quelque chose qui pourrait être utile dans la vie de tous les jours», a déclaré Giulia Rubino, chercheuse à l’Université de Bristol qui a dirigé la première démonstration expérimentale du commutateur quantique en 2017.

Mais les utilisations pratiques du phénomène ne font que rendre les implications profondes plus aiguës.

Les physiciens sentent depuis longtemps que l’image habituelle des événements se déroulant comme une séquence de causes et d’effets ne saisit pas la nature fondamentale des choses. Ils disent que cette perspective causale doit probablement disparaître si nous voulons un jour déterminer l’origine quantique de la gravité, de l’espace et du temps. Mais jusqu’à récemment, il n’y avait pas beaucoup d’idées sur la façon dont la physique post-causale pourrait fonctionner. «Beaucoup de gens pensent que la causalité est si fondamentale dans notre compréhension du monde que si nous affaiblissons cette notion, nous ne serions pas en mesure de faire des théories cohérentes et significatives», a déclaré Brukner, qui est l’un des leaders dans l’étude de la causalité indéfinie.

Cela change alors que les physiciens envisagent les nouvelles expériences de commutation quantique, ainsi que les expériences de pensée connexes dans lesquelles Alice et Bob font face à une indétermination causale créée par la nature quantique de la gravité. La prise en compte de ces scénarios a contraint les chercheurs à développer de nouveaux formalismes et modes de pensée mathématiques. Avec les cadres émergents, «nous pouvons faire des prédictions sans avoir une causalité bien définie», a déclaré Brukner.

Corrélation, pas causalité

Les progrès se sont accélérés récemment, mais de nombreux praticiens retracent l’origine de cette ligne d’attaque sur le problème de la gravité quantique à l’œuvre il y a 16 ans par Lucien Hardy, physicien théoricien anglo-canadien à l’Institut Perimeter de physique théorique à Waterloo, au Canada. « Dans mon cas », a déclaré Brukner, « tout a commencé avec l’article de Lucien Hardy. »

Hardy était surtout connu à l’époque pour avoir adopté une approche conceptuelle rendue célèbre par Albert Einstein et l’appliquer à la mécanique quantique.

Einstein a révolutionné la physique non pas en pensant à ce qui existe dans le monde, mais en considérant ce que les individus peuvent éventuellement mesurer. En particulier, il a imaginé des personnes sur des trains en mouvement faisant des mesures avec des règles et des horloges. En utilisant cette approche «opérationnelle», il a pu conclure que l’espace et le temps doivent être relatifs.

Lucien Hardy est à l’origine de l’étude de la causalité indéfinie comme moyen de comprendre la nature quantique de la gravité.Photographie: Gabriela Secara / Institut Perimeter de physique théorique

En 2001, Hardy a appliqué cette même approche à la mécanique quantique. Il a reconstruit toute la théorie quantique à partir de cinq axiomes opérationnels.

Il entreprit ensuite de l’appliquer à un problème encore plus grand: le problème vieux de 80 ans de la conciliation de la mécanique quantique et de la relativité générale, la théorie épique de la gravité d’Einstein. «Je suis motivé par l’idée que peut-être la manière opérationnelle de penser la théorie quantique peut être appliquée à la gravité quantique», m’a dit Hardy à propos de Zoom cet hiver.

La question opérationnelle est: en gravitation quantique, que pouvons-nous, en principe, observer? Hardy a pensé au fait que la mécanique quantique et la relativité générale ont chacune une caractéristique radicale. La mécanique quantique est notoirement indéterministe; ses superpositions permettent des possibilités simultanées. La relativité générale, quant à elle, suggère que l’espace et le temps sont malléables. Dans la théorie d’Einstein, des objets massifs comme la Terre étirent la «métrique» de l’espace-temps – essentiellement la distance entre les marques de hachage sur une règle et la durée entre les tics des horloges. Plus vous êtes près d’un objet massif, par exemple, plus votre horloge tourne lentement. La métrique détermine alors le «cône de lumière» d’un événement proche – la région de l’espace-temps que l’événement peut influencer de manière causale.