En août 2013, des dizaines de physiciens théoriciens renommés se sont réunis à Santa Barbara, en Californie, pour discuter d'une crise. Leur compréhension ténue des trous noirs s'effondrait. Vu de loin, comme à travers un télescope, un trou noir devrait se comporter comme une planète, une étoile ou tout autre conglomérat de particules élémentaires. Mais si les physiciens croyaient au travail d'Albert Einstein, comme la plupart d'entre eux, alors des conséquences impossibles se produisaient lorsqu'ils considéraient le trou noir du point de vue de quelqu'un juste à l'intérieur de sa limite.

Une expérience de pensée l'année précédente avait aiguisé ce choc des perspectives, mettant fin brusquement à un armistice de deux décennies entre ceux qui croyaient que la vue extérieure était la vue fondamentale et ceux qui se concentraient sur la vue de l'intérieur. Soudain, toutes sortes de croyances physiques sacro-saintes ont fait l'objet d'un débat. Ceux qui étaient à l'origine de l'expérience de pensée ont suggéré, désespérément, que les intérieurs des trous noirs pourraient tout simplement ne pas exister - que l'espace-temps se terminait au bord du trou noir dans un mur de feu littéral.

Dans le prolongement de cette réflexion, un participant à la conférence a même suggéré, en grande partie en plaisantant, que le paradoxe semblait impliquer que les lois connues de la physique pourraient s'effondrer partout tout le temps, une observation qui a valu un rire digne de Comedy Cellar. . L'un des participants les plus juniors, Daniel Harlow, a pris le micro et a réagi avec un seul "Mec" incrédule, avant de ramener la conversation sur un terrain moins hérétique.

"Il y avait juste une rafale" de remue-méninges, a déclaré Patrick Hayde, informaticien devenu physicien à l'université de Stanford. "La volonté des gens de sortir avec des idées folles était choquante."

Après une autre décennie d'argumentation et de calcul, Harlow, maintenant physicien senior au Massachusetts Institute of Technology, pense que lui et une équipe de théoriciens prometteurs ont enfin trouvé le moyen, ou du moins un moyen, de quadriller l'extérieur. et vues intérieures. Ce faisant, ils ont établi une sorte de détente entre les mondes en guerre de la relativité et de la théorie quantique. Leur résolution, qui tisse des idées très éloignées de la théorie de l'information quantique et calculs de percée à partir de 2019, est une tentative difficile et difficile d'avoir l'extérieur tout en gardant une grande partie de l'intérieur.

"Ils ont réussi à montrer qu'au moins en principe, cette tension peut être résolue", a déclaré Tom Hartmann, un physicien de l'Université Cornell qui a trouvé une caractéristique phare de leur théorie dans un autre modèle de gravité.

Bien que leur procédure ne fonctionne actuellement qu'avec une caricature dépouillée d'un trou noir, elle capture de nombreuses caractéristiques particulières des étoiles effondrées. Si cela vaut pour de vrais trous noirs, cela répondra de manière concluante à un gant de questions classiques sur les trous noirs, de ce qu'un astronaute éprouverait en tombant dans un trou noir au sort ultime des informations contenues dans l'arrangement de ses molécules.

"Cela représente dans une certaine mesure la fin d'une révolution, plutôt qu'un début", a déclaré Geoff Penington, physicien à l'Université de Californie à Berkeley et contributeur aux nouveaux travaux.

"C'est très excitant. Cela pourrait être faux, mais je pense que c'est la bonne essence », a déclaré Olivier DeWolfe, physicien à l'Université du Colorado à Boulder et l'un des rares chercheurs à s'être appuyés sur la proposition de Harlow et de l'entreprise l'année dernière.

Le groupe s'efforce de sauver l'intérieur du trou noir d'un sacrifice pur et simple en infligeant une blessure à la chair : dans une tournure ironique, Harlow et sa compagnie proposent que les lois familières de la physique s'effondrent à l'intérieur d'un trou noir - et peut-être partout tout le temps. Mais ils le font d'une manière jusque-là inconnue, trop subtile pour que quiconque s'en aperçoive. À la racine se trouve une contrainte qui ne vient pas de la matière ou de l'étoffe de l'espace-temps. Au contraire, cela vient d'arguments concernant la complexité - les possibilités essentiellement infinies contenues dans de vastes volumes d'informations quantiques.

Du rayonnement Hawking aux pare-feu

Une session à l'atelier de Santa Barbara a été dirigée par le principal architecte de la révolution des trous noirs. Skype depuis son bureau de Cambridge sur un grand écran de projection, un écran plus grand que nature Stephen Hawking défendu l'idée que l'espace et le temps survivent à l'intérieur du trou noir. "Il y a quelque temps, j'ai écrit un article qui a déclenché une controverse qui a duré jusqu'à nos jours", a-t-il commencé.

Cette controverse est centrée sur la façon dont les trous noirs semblent être les étapes du plus grand acte de disparition de l'univers.

En 1974, Hawking calculé qu'autour de l'horizon des événements - la sphère de non-retour entourant un trou noir - les fluctuations quantiques créent des paires de particules. Un partenaire tombe dans le trou noir tandis que l'autre s'échappe. Au fil du temps, les partenaires s'entassent à la fois à l'intérieur et à l'extérieur du trou noir, où ils prennent leur envol dans un nuage en expansion de "rayonnement Hawking".

Le problème a commencé avec le fait que selon les termes de la mécanique quantique, chaque duo est lié par intrication, ce qui signifie que les deux particules portent conjointement une unité d'information. Chaque partenaire est comme la face d'une pièce de monnaie, qui pourrait être utilisée pour répondre à une question par oui ou par non. Cette capacité unique de oui ou non est appelée un « bit » ou un « qubit » si l'objet peut exister dans une combinaison quantique appelée une superposition. Mais contrairement aux deux faces d'une pièce de monnaie, les particules intriquées peuvent se séparer. Pourtant, si une mesure trouve un partenaire externe lisant "face", une autre mesure sera sûre de trouver le partenaire interne lisant "face".

Cela semble entrer en conflit avec une deuxième conséquence du calcul de Hawking. Lorsque le trou noir émet des particules, il finit par s'évaporer complètement. Après des éons indicibles, seul le nuage de rayonnement demeure. Mais parce que chaque partenaire extérieur partage un bit avec son partenaire intérieur, le rayonnement Hawking à lui seul a aussi peu de sens qu'une tirelire pleine de pièces à sens unique. Les qubits d'informations à l'intérieur du trou noir, qui enregistrent la vie du trou noir et tout ce qui y est tombé, semblent disparaître - un développement absurde.

"Ça va tant que ce truc est à l'intérieur quelque part", a déclaré Samir Mathur, physicien à l'Ohio State University et l'un des coordinateurs de la conférence de 2013. "Mais si le trou noir disparaît, les gars à l'extérieur n'ont aucun état défini."

La disparition déroutante des anciens trous noirs a conduit les physiciens à adopter l'une des deux visions opposées, selon que leur loyauté reposait sur la théorie de l'espace-temps courbe d'Einstein, connue sous le nom de relativité générale, ou sur la mécanique quantique. Hawking, pendant de nombreuses années, a parié sur Einstein. Si le piégeage des particules et l'effacement de leurs qubits violaient une interdiction de la mécanique quantique sur les pièces unilatérales, pensait Hawking, alors tant pis pour la mécanique quantique.

D'autres ont préféré garder l'esprit en dehors du trou noir. Ils se sont rangés du côté de la mécanique quantique, qui garantit rigoureusement la notion romantique selon laquelle l'information n'est jamais vraiment perdue. Après avoir brûlé un journal, par exemple, on peut imaginer capter le nuage de fumée, de cendre et de chaleur et reconstituer les phrases perdues. Un trou noir pourrait brouiller les particules d'un journal plus violemment qu'un feu de joie, mais la même logique s'appliquerait. Si le rayonnement de Hawking était tout ce qui restait, alors les informations du texte ont dû s'y infiltrer d'une manière ou d'une autre - peu importe que la théorie de l'espace-temps d'Einstein exige qu'il reste piégé à l'intérieur.

La dernière pièce du paradoxe était que l'analyse de Hawking avait révélé que le rayonnement était parfaitement aléatoire - dépourvu de toute information à décoder. Son travail a suggéré deux conclusions contradictoires : que les trous noirs s'évaporent (impliquant que le rayonnement devrait éventuellement emporter l'information) et que le rayonnement ne transporte pas d'information. Ils ne pouvaient pas avoir raison tous les deux, alors la plupart des physiciens ont supposé que Hawking s'était trompé d'une manière ou d'une autre.

Mais son erreur n'était pas évidente. Hawking avait découvert à la fois le rayonnement et son caractère aléatoire en analysant la façon dont les champs quantiques agissent dans un espace-temps légèrement incurvé – un cadre rigoureusement testé connu sous le nom de physique semi-classique. L'approche semi-classique de Hawking ne reposait que sur des aspects de la mécanique quantique et de la relativité générale qui semblaient irréprochables. Des traitements similaires forment les fondements de la plupart des théories modernes, y compris le célèbre modèle standard de la physique des particules.

Les physiciens s'attendent à ce que la physique semi-classique faiblisse lorsque la gravité devient intense, comme c'est le cas au centre encore impénétrable d'un trou noir, bien au-delà de son horizon des événements. Mais pour les grands trous noirs, l'horizon des événements lui-même devrait être pratiquement inoffensif ; une astronaute curieuse et bien approvisionnée pourrait tomber et survivre longtemps avant de rencontrer sa disparition inévitable près du centre. En effet, à l'horizon de l'énorme trou noir au centre de la galaxie M87, le premier trou noir pour être imagé directement, la gravité ne tire pas beaucoup plus fort que sur Terre. Si Hawking faisait des hypothèses semi-classiques erronées, il en va de même pour tout le monde sur la planète. "Si les lois de la physique telles que décrites par [la physique semi-classique] fonctionnent ici sur Terre", a déclaré Alex Maloney, physicien à l'Université McGill, « pourquoi ne devraient-ils pas travailler à l'horizon des événements ? »

Après des décennies de débat sur l'erreur présumée de Hawking, quelques physiciens ont tenté de négocier une trêve entre les deux parties. En 1993, Léonard Susskind de l'Université de Stanford a commencé à défendre l'idée qu'il n'y avait pas d'erreur. En gros, le conflit est né d'une aspiration irréaliste à tenir à la fois l'intérieur et l'extérieur du trou noir dans son esprit en même temps.

Au lieu de cela, Susskind et ses collaborateurs ont fait valoir que le fil qu'un astronaute à l'extérieur raconterait était simplement différent de ce qu'un astronaute entrant rapporterait. Un astronaute au loin verrait son compagnon s'effondrer sur la surface du trou noir, qui ondulerait en absorbant l'intrus. Ils regarderaient les informations se répandre sur la face du trou noir et finiraient par grésiller sous forme de rayonnement, sans jamais disparaître à l'intérieur. Du point de vue du compagnon, cependant, elle entre en toute sécurité dans le trou noir, où elle et ses informations sont piégées. Son récit diverge de celui de son amie, mais étant donné qu'elle ne peut envoyer un mot pour contredire leur rapport, y a-t-il vraiment un problème ? Les deux récits pourraient être, dans un certain sens, complémentaires.

"J'ai toujours trouvé cela déroutant", a déclaré Scott Aaronson, un informaticien théoricien à l'Université du Texas, Austin, mais "les gens se sont installés là-dessus pendant une décennie ou deux".

En 2012, quatre physiciens sont arrivés et ont réduit à néant l'argument de la complémentarité. Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski et James Sully – une équipe communément appelée par leurs initiales, AMPS – ont détaillé un plan en deux étapes expérience de pensée cela permettrait à un seul observateur de voir le trou noir stocker des informations à deux endroits à la fois.

Tout d'abord, un astronaute à l'extérieur ramasse chaque particule émise par un trou noir pendant la majeure partie de ses 10⁶⁷-année de vie. En supposant que l'information pénètre dans le rayonnement, certains partenaires extérieurs doivent s'être enchevêtrés les uns avec les autres, leur donnant des états définis. L'astronaute analyse ces particules et confirme qu'elles sont intriquées. « Supposons que vous ayez une très longue subvention [de recherche] », a déclaré Aaronson.

Elle plonge ensuite dans le trou noir et confirme que certains partenaires qu'elle a étudiés à l'extérieur sont également empêtrés avec des partenaires à l'intérieur. Le calcul semi-classique de Hawking indique qu'elle trouvera cela, ce qui implique que ce qui ressemblait à des pièces de monnaie recto-verso justes à l'extérieur du trou noir cache une troisième face illégale à l'intérieur.

L'AMPS avait prouvé qu'il n'y avait pas moyen de cacher le paradoxe de Hawking. À contrecœur, ils se sont rangés du côté de la mécanique quantique à l'extérieur du trou noir et, par conséquent, ils ont sacrifié l'espace à l'intérieur : peut-être que le trou noir a vaporisé la matière entrante avec un « pare-feu » à l'horizon, empêchant tout astronaute indiscret de terminer l'expérience. "Le trou noir n'a tout simplement pas d'intérieur", a déclaré Aaronson, décrivant leur conclusion. "Lorsque vous essayez de sauter dedans, vous rencontrez une fin d'espace-temps."

Personne ne se sentait bien à propos de cette idée, car il n'y avait aucune indication de la physique semi-classique que le passage de l'horizon devrait être différent du franchissement de la frontière de l'Illinois à l'Iowa. La communauté a organisé une série d'ateliers pour trouver des moyens de sortir de la pagaille, aboutissant à la réunion de Santa Barbara.

"Nous avons passé quelques mois amusants où tout le monde a essayé de tuer cet argument et n'a pas réussi", a déclaré Harlow.

Au milieu du chaos, Harlow a formé une collaboration avec Hayden – alors informaticien – pour étudier ce qu'il faudrait à un astronaute pour réellement faire l'expérience AMPS. Ils ont traité le trou noir comme un dispositif de cryptage quantique - quelque chose qui prend des informations lisibles (matière normale) et recrache ce qui semble être des informations brouillées (le rayonnement). Dans ce contexte, on pourrait imaginer réaliser l'expérience AMPS en utilisant une machine pour déchiffrer les informations - une machine comme un ordinateur quantique. Et avec un résultat clé de la thèse de doctorat d'Aaronson sur les limites du calcul quantique, ils ont découvert quelque chose de curieux.

Un trou noir pulvérise si complètement la matière qui tombe que si un astronaute chargeait un ordinateur quantique de déchiffrer le rayonnement, la tâche prendrait des éternités. Cela prendrait tellement de temps que le trou noir aurait disparu depuis longtemps avant que la barre de progression n'atteigne ne serait-ce qu'une fraction de 1 %. Et à ce moment-là, l'astronaute ne pourrait pas sauter pour capter des informations extérieures au clair de lune à l'intérieur, car l'intérieur n'existerait pas.

"C'était une observation dont nous ne savions pas vraiment quoi faire", a déclaré Harlow. "Enfin, 10 ans plus tard, nous savons quoi en faire."

Comment faire de l'espace-temps sur un ordinateur quantique

Après les travaux de 2013, Harlow a mis les trous noirs de côté pour se concentrer sur un problème plus simple : l'espace vide lui-même. Il a commencé à étudier un type irréaliste d'espace inversé connu sous le nom d'espace anti-de Sitter qui admet également deux descriptions très différentes, tout comme les trous noirs semblaient le faire.

"Si je comprends assez bien l'espace anti-de Sitter, cela suggérera la voie à suivre pour revenir aux trous noirs", se souvient Harlow. "Et cela a effectivement fonctionné."

Les physiciens sont fascinés par l'espace anti-de Sitter parce qu'il se courbe d'une manière exotique qui permet à un volume infini d'espace de tenir à l'intérieur d'une frontière finie. Encore plus frappant, il semble y avoir un moyen de refondre tout événement se déroulant dans l'espace anti-de Sitter en termes de particules vivant à la frontière, qui jouent selon des règles physiques complètement différentes. Un système solaire dans la région centrale anti-de Sitter, par exemple, peut être décrit comme une collection de particules dispersées autour de la frontière qui n'obéissent qu'à la théorie quantique et n'ont aucun sens de la gravité ou de l'espace-temps.

La principale question pour Harlow était de savoir comment les particules à la frontière, qui n'ont aucun concept d'espace-temps, pourraient éventuellement capturer l'expérience d'un habitant d'une planète dans la région centrale, pour qui l'espace-temps est indéniablement important. Naïvement, nous pourrions nous attendre à rencontrer un problème où les événements limites pourraient se répercuter instantanément dans tout le milieu - un endroit où les effets devraient prendre du temps à se propager. En raison de ce problème, la relation entre les particules de frontière et l'espace-temps central devrait être lâche, de sorte que les changements de frontière n'affectent pas immédiatement le milieu, mais pas si lâche que la frontière perd complètement la trace de ce qui se passe au centre .

"Vous devez être indépendant de tous les éléments du système, mais pas indépendant du système, ce qui est comme aaargh", a déclaré Harlow, levant les mains de frustration.

Finalement, Harlow s'est rendu compte qu'un groupe de chercheurs avait déjà résolu le problème. Ils n'avaient pas du tout pensé à la structure de l'espace-temps. Ils inventaient des moyens pour que les ordinateurs quantiques corrigent leurs erreurs.

Pour avoir une idée de la façon dont la correction d'erreurs incarne la relation Goldilocks recherchée par Harlow, considérons un schéma simple pour coder un message classique à un bit en une transmission à trois bits. Pour indiquer 1, transmettez 111. Pour indiquer 0, transmettez 000. Même si une erreur se produit, le récepteur peut simplement voter à la majorité. Il comprendra toujours 001 pour signifier 0, ou 011 pour signifier 1. Une seule erreur ne gâche pas le message, car l'information vit dans tous les chiffres. Le message est indépendant de chaque pièce individuelle, mais pas indépendant de l'ensemble de la transmission - exactement ce dont Harlow avait besoin. Correction des erreurs quantiques en qubits (par opposition aux bits classiques) nécessite des schémas plus compliqués, mais les deux problèmes partagent cette caractéristique de maculage d'informations entre plusieurs éléments. En 2013, j'ai nommé Ambassadeur Amina C. Mohamed, mon secrétaire du Cabinet (Ministre) du Ministère des Affaires étrangères et du Commerce international. Depuis lors, l'Ambassadeur Mohamed a dirigé avec brio notre action diplomatique. Nous avons bénéficié énormément de ses démarches tant régionalesqu’internationales d'importance à la fois nationale et continentale. , Harlow a collaboré avec Almheiri de l'AMPS et Xi Dong de l'Université de Californie à Santa Barbara pour expliquer comment les codes de correction d'erreurs quantiques pourrait étaler des informations spatio-temporelles anti-de Sitter parmi les qubits frontières.

L'essentiel de l'idée était le suivant. Imaginez le point central dans l'espace anti-de Sitter comme un message d'un bit. Les particules limites sont les chiffres de la transmission. Divisez la frontière en trois arcs. Les particules d'un arc quelconque connaissent les points anti-de Sitter dans la région adjacente. Mais ils ne connaissent pas les points en dehors de cette région. Aucun arc unique ne connaît le point central, une situation qui rappelle qu'aucun chiffre de transmission ne suffit pour reconstruire le message.

Mais le point central se situe dans la région combinée appartenant à deux arcs quelconques - faisant écho à la façon dont deux chiffres de transmission suffisent pour déchiffrer le message. De cette manière, la correction d'erreurs semblait être un langage approprié pour comprendre l'espace vide anti-de Sitter sous deux angles : soit en tant qu'espace-temps vanille, soit, curieusement, en tant qu'ensemble de qubits quantiques sans espace.

"C'est assez surprenant", a déclaré DeWolfe. L'information quantique ne sert pas seulement à construire des ordinateurs quantiques. "Il s'avère que ce sont des idées suffisamment importantes pour que la gravité quantique semble les utiliser."

Harlow avait réussi à lier les deux manières de regarder l'espace-temps. Le seul problème était que le cadre ne répondait pas à son objectif. Lorsque l'espace-temps contenait un trou noir, la correction d'erreur quantique a échoué.

Dès 2012, les physiciens avaient lancé l'idée de s'attaquer à l'intérieur du trou noir avec des codes correcteurs d'erreurs. Mais une fois de plus, les perspectives contradictoires dans les calculs de Hawking les avaient laissé perplexes. Un astronaute à l'intérieur de l'horizon des événements verrait les partenaires de rayonnement tomber pleuvoir indéfiniment. La capacité d'information du trou noir, si vous l'imaginez comme un disque dur cosmique, augmente tout au long de sa vie.

Pendant ce temps, un astronaute à l'extérieur d'un trou noir dans ses années dorées le verrait littéralement diminuer de taille à mesure qu'il s'évapore. Pour réaliser l'aspiration de concilier les deux perspectives avec correction d'erreur, Harlow semblait avoir besoin d'un moyen d'encoder l'intérieur croissant dans sa frontière rétrécie, une tâche comme demander à un marin d'insérer le message "SOS" dans une transmission à un caractère.

"L'histoire excluait l'intérieur des trous noirs", a déclaré Christophe Akers, un chercheur du MIT qui, en tant qu'étudiant diplômé de deuxième année en 2016, s'est inspiré d'un article influent sur la correction d'erreurs de Harlow. "Cela m'a semblé étrange, alors j'ai passé beaucoup de temps à réfléchir à la façon dont vous pourriez mieux inclure les trous noirs."

Il lui faudrait quatre ans pour en trouver un, et un autre an pour aider à convaincre Harlow que cela avait du sens.

Une recette pour l'évasion de l'information

Alors que Harlow et Akers s'interrogeaient séparément sur l'intérieur d'un trou noir, une constellation de chercheurs était sur le point de fissurer l'extérieur. Penington, un physicien britannique en plein essor, était l'un des acteurs clés. Il avait raté le drame du pare-feu à la conférence de Santa Barbara, car en 2013, il avait 21 ans et était au milieu de ses études de premier cycle à l'Université de Cambridge.

Lorsque Penington s'est rendu à Stanford en 2015 en tant que futur étudiant diplômé, il s'est senti déchiré entre l'étude de la gravité quantique et l'information quantique pour son doctorat. Puis il a rencontré Hayden. Penington a été surpris de découvrir que sa mère - Frances Kirwan, mathématicienne à Oxford - avait été l'une des superviseures diplômées de Hayden, et que Hayden, un Canadien d'origine, avait aidé sa mère à planifier une excursion en canot dans la campagne ontarienne qu'il avait fait quand il avait 8 ans. Il fut encore plus surpris d'apprendre que Hayden était au cœur de l'effort pour expliquer les trous noirs avec des qubits, mélangeant les deux intérêts de Penington. Le duo a décidé de travailler ensemble.

Hayden et Penington ont commencé par ce qu'ils pensaient être un problème abstrait sur les codes de correction d'erreurs imparfaits, publiant un papier d'information quantique splashy en 2017. Ce travail ne mentionnait pas les trous noirs ou l'espace-temps, mais l'année prochaine ils ont apporté leurs codes à l'espace anti-de Sitter. Finalement, suivant une formule développée en 2014 par Netta Engelhardt, un collègue physicien du millénaire, Penington a commencé à soupçonner qu'une région particulière de l'espace anti-de Sitter suivait l'entropie, une quantité liée à la capacité d'information du nuage de rayonnement Hawking intriqué qui s'échappe d'un trou noir. Il a passé l'hiver 2018-2019 à travailler seul sur les détails pour vérifier son intuition.

"C'est le plus dur que j'aie continuellement travaillé sur la physique dans ma vie", a déclaré Penington. "J'étais en vacances au Mexique à Noël, mais j'y pensais secrètement tout le temps. Mes amis n'arrêtaient pas de demander : 'Pourquoi es-tu si silencieux ?' »

À peu près à la même époque, Engelhardt faisait un calcul essentiellement identique. Début 2019, elle s'est associée à Almheiri et Marolf de l'AMPS et Henry Maxfield à Stanford pour utiliser la formule de 2014, qui donne l'entropie dans une situation impliquant la gravité, pour étudier les informations contenues dans le rayonnement intriqué à l'extérieur du trou noir.

Les deux équipes ont obtenu la même réponse, qu'elles ont dévoilée dans coordonné papiers en mai 2019. Les calculs revenaient à compter les "têtes" dans le rayonnement extérieur - ce qui vous indique combien de "queues" enchevêtrées sont cachées à l'intérieur du trou noir. Pour les jeunes trous noirs vides, le nombre de faces de pièces séparées augmente à mesure que l'horizon des événements divise les paires de Hawking, comme Hawking l'avait prévu. Mais avec l'âge, le nombre de faces séparées commence à diminuer, ce qui implique que le trou noir s'est rempli et qu'il vide en quelque sorte des informations dans le rayonnement extérieur, comme l'exige la mécanique quantique.

"Ces articles de mai, ils étaient vraiment incroyables", a déclaré Harlow. Il était impressionné qu'ils aient eu « le courage de faire le calcul. J'aurais pensé que c'était trop dur.

Penington, Engelhardt et leurs collaborateurs pensaient enfin comprendre ce qui se passait en dehors du trou noir. Des informations fuyaient en effet dans le rayonnement, comme de nombreux physiciens l'avaient supposé. Ce fait a eu trois conséquences cruciales.

Premièrement, cela a réduit les possibilités d'erreur de Hawking. Le rayonnement ne pouvait pas être vraiment aléatoire, alors pourquoi la physique semi-classique par ailleurs digne de confiance a-t-elle suggéré que c'était le cas ?

Deuxièmement, cela a déplacé leur frontière de compréhension de l'extérieur du trou noir vers l'intérieur. Comment un astronaute juste à l'intérieur de l'horizon des événements d'un ancien trou noir ressentirait-il l'évaporation ?

Enfin, cela suggérait que le cadre semi-classique de Hawking était presque correct et que faire le premier pas vers l'intérieur ne devrait pas nécessiter une théorie complète de la gravité quantique. Ils avaient réussi à analyser l'extérieur en utilisant des ingrédients spatio-temporels familiers. Mais avec juste une recette légèrement modifiée (la formule d'entropie de 2014), ils ont découvert que l'information s'échappait de l'intérieur. Les calculs leur ont donné l'assurance que la vision semi-classique de l'intérieur du trou noir ne devait pas être abandonnée. Les pare-feu semblaient de plus en plus aller trop loin.

"Si nous jetons la description intérieure, nous jetons le bébé avec l'eau du bain", a déclaré Engelhardt. "Il existe un moyen d'utiliser la gravité semi-classique pour faire un calcul correct."

Engelhardt, un expert en entropie gravitationnelle, possédait certaines des pièces, et il semblait que Harlow en possédait quelques autres. Le bureau d'Engelhardt au MIT partage un mur avec celui de Harlow, il était donc naturel pour eux d'unir leurs forces. À peu près à la même époque, Akers a déménagé au MIT pour devenir leur postdoctorant, et tous les trois ont commencé à s'attaquer au problème.

Comment casser l'espace-temps sur un ordinateur quantique

Alors que la pandémie a forcé le monde à l'intérieur au début de 2020, le trio d'universitaires a déplacé ses expériences de pensée sur les trous noirs des tableaux noirs du MIT vers l'environnement numérique de Zoom.

Leur objectif était de rassembler tous les fils et de développer une sorte de processus de conversion pour transformer la perspective intérieure semi-classique en perspective extérieure mécanique quantique. Une telle théorie serait utile à un astronaute juste à l'intérieur du trou noir. Elle pouvait prendre un instantané de son environnement, le suivre tout au long de la procédure et récupérer une image qui lui indiquait ce qu'un collègue à l'extérieur voyait. Bien que les deux photographies puissent sembler capturer des événements différents, Rashomon style, la conversion devrait révéler que les scènes sont secrètement compatibles. Ce serait une renaissance plus sophistiquée de la vision de la complémentarité de Susskind.

Akers s'était déjà convaincu que le programme de conversion devait être écrit dans le langage de la correction d'erreur quantique, comme Harlow l'avait déjà fait pour l'espace vide. L'intérieur semi-classique serait le message, et l'extérieur quantique serait la transmission. Et étant donné que l'intérieur semblait se développer à l'intérieur d'un horizon qui se rétrécissait, ils allaient juste devoir inventer un code correcteur d'erreurs qui pourrait entasser un SOS dans un seul S.

Akers a fait face au scepticisme de ses collègues. La manière dont le codage devrait supprimer les informations à l'intérieur du trou noir violait l'interdiction de la mécanique quantique contre la perte d'informations. Si l'astronaute de l'intérieur brûlait son journal de mission, elle pourrait ne pas être en mesure de reconstruire une réplique à partir des cendres.

"Si vous modifiez la mécanique quantique, les gens penseront que vous êtes fou, et généralement ils auront raison", a déclaré Harlow. "J'hésitais"

Plus tard cette année-là, un étudiant diplômé du MIT (maintenant à Stanford) nommé Shreya Vardhan a rejoint l'équipage. Elle a fait des calculs d'entropie concrets qui ont finalement convaincu tout le monde que casser légèrement la mécanique quantique à l'intérieur était le seul moyen de la sauver complètement à l'extérieur.

"Shreya et Chris en particulier poussaient cela de différentes manières", a déclaré Harlow. "Shreya a brisé la dernière barrière pour moi, et j'ai réalisé que cela avait vraiment du sens."

Akers avait travaillé avec Penington, alors il s'est également impliqué. L'effort a pris quelques années de travail intermittent. Et juste au moment où ils se sont assis pour rédiger leurs résultats, les trois cinquièmes de l'équipe sont tombés simultanément avec Covid-19. Mais en juillet dernier, ils ont finalement posté une prépublication détaillant leur théorie sur la façon dont l'intérieur du trou noir pourrait être encodé dans son extérieur avec le code de correction d'erreurs le plus étrange au monde.

Voici comment cela fonctionne. Une astronaute qui se sacrifie à l'intérieur du trou noir enregistre la configuration de tous les photons, électrons et autres particules qui l'entourent ainsi que le trou noir - un fichier de données quantiques composé d'un tas de qubits capturant son expérience semi-classique. Son objectif est de comprendre la perspective quantique de son partenaire à l'extérieur à ce moment-là. Le groupe a développé un algorithme en deux étapes que l'on pourrait imaginer exécuter sur un ordinateur quantique pour convertir cet instantané intérieur.

Premièrement, le programme brouille les qubits semi-classiques presque au-delà de la reconnaissance en utilisant l'une des transformations les plus aléatoires des mathématiques.

Vient ensuite la sauce secrète. La deuxième étape implique la post-sélection, une opération étrange plus couramment utilisée par les théoriciens de l'information que par les physiciens. La post-sélection permet à un expérimentateur de truquer un processus aléatoire pour obtenir le résultat souhaité. Supposons que vous vouliez lancer une pièce et obtenir 10 faces d'affilée. Vous pouvez le faire, à condition d'avoir la patience de recommencer à chaque fois que c'est pile. De même, le programme d'encodage commence à mesurer les qubits semi-classiques mais redémarre chaque fois qu'il obtient un 1. Finalement, lorsqu'il a mesuré la plupart des qubits brouillés et obtenu avec succès une chaîne de zéros, il jette ces qubits. Les quelques qubits restants non mesurés représentent les pixels de l'image quantique du trou noir vu de l'extérieur. Ainsi, le code comprime un gros fichier RAW semi-classique en un JPEG quantique compact.

C'est "un moyen avec perte de compresser beaucoup d'informations semi-classiques dans un espace quantique fini", a déclaré Hartman de Cornell.

Mais il y a un gros hic. Comment un tel programme a-t-il pu supprimer autant d'informations semi-classiques sans effacer aucun détail essentiel ? La procédure implique que la physique semi-classique est pleine de peluches - des configurations de particules que l'astronaute intérieur pourrait observer qui ne sont pas réellement réelles. Mais la physique semi-classique a été rigoureusement testée dans des collisionneurs de particules sur Terre, et les expérimentateurs n'ont vu aucun signe de tels mirages.

« Combien d'états sont codés de manière fiable ? Et que peut bien faire la théorie semi-classique ? dit Hartmann. "Étant donné qu'il doit y avoir des pertes, il n'est pas évident qu'il puisse faire quoi que ce soit."

Pour expliquer comment une théorie erronée pouvait si bien fonctionner, l'équipe s'est tournée vers l'observation étrange que Hayden et Harlow avaient faite en 2013, selon laquelle le décodage du rayonnement pour l'expérience AMPS prendrait tellement d'étapes qu'il serait effectivement impossible. Peut-être que la complexité pourrait recouvrir les fissures de la physique semi-classique. L'encodage ne supprimait pas les configurations bon gré mal gré. Il n'a effacé que certains arrangements de particules qui étaient complexes dans le sens où ils mettaient tellement de temps à se produire que l'astronaute de l'intérieur ne pouvait jamais s'attendre à en être témoin.

Faire valoir que le code laissait des états simples essentiellement intacts constituait l'essentiel du travail. Le groupe a fait valoir que pour toute version de leur processus en deux étapes, la création d'une configuration semi-classique complexe sans contrepartie du point de vue extérieur prendrait essentiellement une éternité - quelque chose comme 10,000 50 fois l'âge actuel de l'univers juste pour une configuration subatomique de 87 qubits. grain de trou noir. Et pour un vrai trou noir, comme M10 avec ses XNUMX⁷⁰-odd qubits, une expérience qui a brisé la physique semi-classique prendrait exponentiellement plus de temps que cela.

L'équipe propose que les trous noirs mettent en évidence une nouvelle rupture dans le cadre établi de la physique. Tout comme Einstein avait prédit un jour que la notion de distances rigides de Newton échouerait à des vitesses suffisamment élevées, ils prédisent que la physique semi-classique échoue pour des expériences extrêmement complexes impliquant un nombre impensable d'étapes et des durées incompréhensibles.

Les pare-feu, selon le groupe, seraient une manifestation d'une telle complexité impensable. Un véritable trou noir comme celui de M87 n'existe que depuis des milliards d'années - pas assez longtemps pour que l'intérieur semi-classique se décompose dans un pare-feu. Mais si l'on était capable de faire des expériences incroyablement compliquées, ou si un trou noir vivait extrêmement longtemps, tous les paris semi-classiques seraient perdus.

"Il y a une frontière de complexité", a déclaré Harlow. "Lorsque vous commencez à faire des choses exponentielles, alors [la physique] commence vraiment à être différente."

Sauvé par la malédiction de la complexité

Une fois que les physiciens se sont convaincus que les pertes du code ne conduiraient pas à des fissures notables dans la physique semi-classique à l'intérieur du trou noir, l'équipe a étudié les conséquences. Ils ont constaté que le bogue apparent s'est avéré être la fonctionnalité ultime.

« Cela semble mauvais. Il semble que vous allez perdre des informations parce que vous supprimez beaucoup d'états », a déclaré Akers. Mais "il s'avère que c'est tout ce que vous avez toujours voulu."

En particulier, cela va au-delà des travaux de 2019 en abordant la manière dont les informations sortent du trou noir. Ou plutôt, cela suggère que les qubits ne sont pas exactement à l'intérieur pour commencer.

Le secret réside dans la deuxième étape géniale de la conversion, la post-sélection. La post-sélection implique les mêmes ingrédients mathématiques, à savoir la mesure des partenaires intriqués, qu'un processus quantique classique qui téléporte des informations d'un endroit à un autre. Ainsi, bien que le processus de conversion ne soit pas un événement physique qui se déroule dans le temps, il explique comment l'information semble passer de l'intérieur vers l'extérieur.

Essentiellement, si l'astronaute de l'intérieur convertit un instantané pris tard dans la vie du trou noir, elle apprendra que les informations qui semblent résider dans les particules autour d'elle - ou même dans son propre corps - sont du point de vue externe flottant réellement dans le Hawking. rayonnement extérieur. Au fil du temps, le processus de conversion révélera de plus en plus que son monde est irréel. L'instant avant que le trou noir ne disparaisse, malgré l'impression contraire de l'astronaute, ses informations existeront presque entièrement à l'extérieur, brouillées dans le rayonnement. En retraçant ce processus, instantané par instantané, le groupe a pu dériver la formule d'entropie d'Engelhardt qui avait trouvé des informations dans le rayonnement en 2019. C'est aussi un sous-produit de la perte de conversion.

En bref, la conversion explique comment un astronaute pourrait sans le savoir faire l'expérience d'un intérieur qui se détache de plus en plus de la réalité extérieure à mesure qu'il mûrit. L'erreur de Hawking, selon eux, a été de se mettre entièrement dans la peau de l'astronaute de l'intérieur et de supposer que la physique semi-classique fonctionnait parfaitement à l'intérieur et à l'extérieur du trou noir.

Il ne s'est pas rendu compte, comme Harlow et sa compagnie le croient maintenant, que la physique semi-classique ne parvient pas à capturer avec précision les phénomènes et les expériences qui nécessitent une complexité exponentielle. Décoder les informations brouillées dans le rayonnement prendrait un temps exponentiellement long, par exemple, c'est pourquoi son analyse semi-classique prédit à tort que le rayonnement est sans particularité. Les fonctionnalités sont là; il faudrait simplement plusieurs, plusieurs fois l'âge de l'univers pour les découvrir.

De plus, il y a une raison pour laquelle la capacité d'information de l'intérieur semble croître alors que la taille de la surface du trou noir se rétrécit : le calcul semi-classique inclut par erreur un grand nombre d'états complexes qui n'ont pas d'équivalents quantiques à l'extérieur. Si les physiciens prennent en compte les façons dont la complexité peut perturber la physique semi-classique, le conflit entre l'image de l'espace-temps à l'intérieur et l'image quantique à l'extérieur s'évapore.

"Nous voyons maintenant un chemin cohérent à travers le paradoxe", a déclaré Harlow.

Confusion du trou noir

Pour toute la confiance de Harlow, cependant, d'autres membres de la communauté des trous noirs ont beaucoup de questions.

La principale limitation est que les théories que le code relie sont extrêmement simples. La description mécanique quantique a une collection de qubits qui émettent des informations. La description semi-classique a un intérieur coupé d'un extérieur par un horizon des événements. Et c'est tout. Il n'y a pas de gravité et aucun sens de l'espace-temps. Le code contient les caractéristiques essentielles du paradoxe, mais il manque de nombreux détails qui seraient nécessaires pour affirmer que les vrais trous noirs fonctionnent de cette manière.

"L'espoir, comme toujours, est que vous ayez un modèle de jouet dont vous avez extrait toute la physique importante et rejeté toute la physique sans importance", a déclaré Maloney. "Il y a d'assez bonnes raisons de penser que c'est vrai ici, mais il est néanmoins important d'être prudent."

De nombreuses solutions alternatives existent, et la gravité réelle pourrait encore résoudre le paradoxe de l'une de ces manières. Mathur de l'État de l'Ohio, par exemple, dirige un programme de recherche étudiant une telle option. En analysant ce qui arriverait à une étoile qui s'effondre dans la théorie des cordes, lui et ses collaborateurs ont découvert que les cordes pouvaient arrêter l'effondrement. Ils forment une masse qui se tord, un "peluche», dont le tortillement complexe empêcherait un horizon des événements – et un paradoxe – de se former. Mathur soulève diverses objections à la nouvelle solution et pense généralement que le code avec perte est une proposition trop compliquée. "Le paradoxe de l'information a été résolu il y a longtemps", a-t-il déclaré. (Par des boules de poils.)

Pendant ce temps, Marolf, qui a travaillé avec Engelhardt pour repérer les informations dans le rayonnement en 2019, soupçonne que leur solution est peut-être trop conservatrice. "Ce qui me préoccupe, c'est que c'est presque trop facile", a-t-il déclaré.

Il s'étouffe avec la perte, ce qui signifie que le code dans sa forme actuelle ne donne des réponses uniques qu'à l'astronaute intérieur. Si un astronaute extérieur prend une photo et veut savoir ce qu'elle dit de l'intérieur, il devra deviner les pixels semi-classiques que le code efface. Même si ces états sont en quelque sorte illusoires, ils sont essentiels pour comprendre l'expérience humaine à l'intérieur. Pour quelques conjectures, il pourrait trouver un intérieur calme. Dans d'autres, un pare-feu déchaîné. Peu importe à quel point la théorie quantique est raffinée à l'extérieur, elle ne pourra jamais dire avec certitude ce qu'il trouverait s'il sautait dedans.

"Cela me dérange un peu", a déclaré Marolf. "J'aurais pensé qu'une théorie fondamentale devrait tout prédire, y compris ce que nous vivons comme réalité."

Perte à la hausse

Certains sceptiques quant à la proposition initiale ont depuis accepté l'idée, notamment Isaac Kim, informaticien à l'Université de Californie à Davis, et John Preskill, physicien quantique au California Institute of Technology et l'une des sommités présentes à la confrontation du pare-feu de 2013.

"Nous avons entendu par la vigne que ce travail arrivait", a déclaré Kim. "On aurait dit que quelque chose devait mal tourner."

Kim était énervé par l'utilisation de la post-sélection. Les applications passées de la post-sélection incluaient des plans pour des machines à voyager dans le temps et des ordinateurs quantiques déraisonnablement puissants, de sorte que son apparence a sauté comme un drapeau rouge. Il soupçonnait que les détails manquants dans le code initial, tels que la façon dont cela fonctionne pour un astronaute qui mesure le rayonnement à l'extérieur puis tombe dedans, pourraient se combiner avec la post-sélection pour gâcher même la perspective externe et y supprimer des informations.

Puis en décembre, Kim et Preskill mis à jour le code et a constaté que le trou noir continuait à émettre des informations en toute sécurité dans l'image externe. Ils ont également découvert que la post-sélection ne servait pas d'échappatoire au trou noir pour effectuer des calculs absurdement puissants - ou renvoyer les astronautes vers le futur.

"Remarquablement dans ce modèle, même si vous autorisez la post-sélection, cela ne se produit pas", a-t-il déclaré. "C'est ce qui m'a convaincu que quelque chose de correct se passe ici."

DeWolfe et son collaborateur Kenneth Higginbotham encore généralisé le code avec perte en avril. Ils ont également conclu qu'il pouvait résister à la chute d'astronautes.

D'autres chercheurs ont passé les derniers mois à vérifier si leurs théories préférées de la gravité dissimulaient des pertes. En octobre, Arjun Kar de l'Université de la Colombie-Britannique portage du code avec perte de Harlow et de ses collègues dans une théorie bien connue de la gravité 2D et a constaté qu'elle tenait. "Ils semblent vraiment avoir trouvé quelque chose d'intéressant à propos de la correction d'erreur quantique", a-t-il déclaré.

Poursuivre sur cette voie – à la recherche de pertes dans davantage de théories de la gravité – est le principal moyen par lequel les physiciens espèrent renforcer ou détruire la confiance que la gravité réelle fonctionne réellement de cette manière. Peu rêvent de sonder le code avec une expérience.

"Il n'est pas clair comment nous testerions jamais ce compte", a déclaré Aaronson, "sauf pour essayer de construire davantage une théorie quantique de la gravité et de voir si cette théorie réussit."

Harlow, cependant, est un rêveur. « Je ne pense pas que ce soit impossible. C'est juste difficile », a-t-il déclaré, exposant l'expérience de pensée suivante.

Vous mettez un petit trou noir dans une boîte et capturez chaque photon du rayonnement de Hawking qui en sort, stockant toutes ces informations dans un ordinateur quantique. Parce que cette information semblerait exister à l'intérieur du trou noir du point de vue d'une particule intérieure, la manipulation du rayonnement pourrait affecter instantanément la particule - une véritable action à une distance suffisamment effrayante pour hanter n'importe quel physicien. "Il ne devrait rien y avoir que je puisse faire aux radiations qui changent quoi que ce soit à l'intérieur", a déclaré Harlow. "C'est une panne qui est survenue parce que vous avez franchi la frontière de la complexité."

Mais même pour fantasmer sur une telle expérience, Harlow doit basculer vers un univers éternel pour se donner suffisamment de temps, car l'activité dans notre cosmos en expansion s'éteindrait des milliards de fois avant que l'on puisse espérer manipuler le rayonnement même du plus petit des trous noirs. (De plus, Susskind et d'autres travaillant sur un angle associé du puzzle du trou noir ont récemment trouvé des idées qui se chevauchent concernant la complexité et des périodes de temps incroyablement longues.)

Néanmoins, Harlow n'est pas découragé par des détails mineurs tels que la mort thermique de l'univers. Si des expériences de pensée impossibles impliquant des trains voyageant à une vitesse proche de la lumière étaient assez bonnes pour Einstein, pense-t-il, elles sont assez bonnes pour lui.

"Nous n'avons toujours pas les trains, mais [la relativité] a des conséquences sur diverses autres choses que nous avons testées", a-t-il déclaré.

Harlow est le dernier d'une longue lignée de physiciens des trous noirs ayant une relation avec les preuves physiques que les observateurs occasionnels pourraient trouver surprenants. Après tout, personne n'a jamais vu un seul photon du rayonnement de Hawking, et personne ne le verra jamais. C'est beaucoup trop faible, même si vous placez le télescope spatial James Webb en orbite autour d'un vrai trou noir.

Mais cela n'a pas empêché plusieurs générations de physiciens, de Stephen Hawking et Leonard Susskind à Netta Engelhardt, Chris Akers et des dizaines d'autres, de débattre avec vivacité sur la manière de gérer l'ensemble des conflits qui sortent du trou noir avec le bain théorique. de photon.

Alors même qu'ils construisent et renforcent leurs arguments, ils reconnaissent que la seule façon concluante de voir si les trous noirs représentent la prison cosmique ultime ou une condamnation à mort ardente est de se lancer dans l'expérience de pensée impensable originale.

"S'il y a deux personnes qui ne se soucient que de résoudre leur désaccord, tout ce qu'elles peuvent faire, c'est intervenir", a déclaré Penington. "Soit ils sont tous les deux vaporisés instantanément et ils ne le résolvent jamais de toute façon, soit ils le font à l'intérieur et l'un d'eux dit:" Oh, c'est vrai, j'avais tort.

Note de l'éditeur : Un certain nombre de scientifiques présentés dans cet article, dont Daniel Harlow et Chris Akers, ont reçu un financement de la Fondation Simons, qui finance également ce magazine indépendant sur le plan éditorial. Les décisions de financement de la Fondation Simons n'ont aucune influence sur notre couverture. Plus de détails sont disponible ici.