Des chercheurs de l'Université du Michigan, dirigés par le physicien Enrico Rinaldi, ont utilisé l'informatique quantique et l'apprentissage automatique pour obtenir de nouvelles perspectives sur la nature des trous noirs. Cette étude révolutionnaire, publiée le 3 février 2025 dans PRX Quantum, explore l'état quantique des modèles matriciels, faisant progresser notre compréhension de la physique des trous noirs.
La recherche repose sur le principe holographique, suggérant une équivalence mathématique entre les théories fondamentales de la physique des particules et de la gravité, malgré leur formulation dans différentes dimensions. Deux théories prédominantes décrivent les trous noirs à travers des cadres dimensionnels distincts, la gravité opérant dans un espace tridimensionnel tandis que la physique des particules est confinée à une surface bidimensionnelle.
Cette dualité souligne la nature interconnectée des deux modèles, alors que la masse immense d'un trou noir déforme l'espace-temps, créant un champ gravitationnel s'étendant en trois dimensions. Cette influence gravitationnelle se corrèle mathématiquement avec des particules se déplaçant en deux dimensions au-dessus du trou noir. Certains scientifiques proposent que l'univers entier pourrait fonctionner de manière similaire, comme une projection holographique de particules.
Rinaldi et son équipe ont examiné comment l'informatique quantique et l'apprentissage en profondeur peuvent améliorer la recherche sur la dualité holographique. Leur objectif était de calculer l'énergie de l'état fondamental des modèles matriciels quantiques, ce qui pourrait percer le mystère de cette dualité. Ces modèles représentent la théorie des particules, où des événements mathématiques dans un système peuvent influencer un autre représentant la gravité.
En résolvant des modèles matriciels relativement simples qui encapsulent les caractéristiques de modèles plus complexes utilisés pour décrire les trous noirs, les chercheurs visent à comprendre les propriétés de la théorie des particules, ce qui pourrait fournir des aperçus sur la gravité. Rinaldi a déclaré : « Comprendre les propriétés de cette théorie des particules à travers des expériences numériques peut révéler quelque chose sur la gravité. »
L'étude utilise des circuits quantiques, représentés comme des fils connectés à des qubits—bits d'information quantique—où des opérations quantiques dictent le flux d'information. Rinaldi a comparé le processus à de la musique, où chaque étape transforme les qubits en nouvelles formes, atteignant finalement l'état fondamental.
Grâce à leur travail, les chercheurs ont réussi à identifier l'état fondamental de deux modèles matriciels en utilisant à la fois des circuits quantiques et des méthodes traditionnelles, malgré les limitations matérielles actuelles sur le nombre de qubits. Rinaldi a souligné que, bien que les méthodes conventionnelles puissent trouver l'énergie de l'état fondamental, elles échouent souvent à fournir la structure complète de la fonction d'onde.
Ces découvertes représentent une étape cruciale vers de futures recherches sur les algorithmes quantiques et les applications de l'apprentissage automatique dans l'exploration de la gravité quantique via la dualité holographique. L'équipe de Rinaldi prévoit d'étendre leurs résultats à des matrices plus larges et d'évaluer leur résilience face aux effets de bruit qui pourraient introduire des inexactitudes.