The microscopic description of black holes has been a challenge for more that forty years.  There are now quite a number of promising approaches to solving this problem and the primary goal of this conference and workshop is to bring together experts in these areas to identify synergies, engage in constructive criticism and resolve apparent conflicts.  A significant focus will be the dynamics of black-hole microstructure: how infalling matter is scrambled and how information is recovered.

The conference will have four or five talks a day.    The talks will all be "in-person" at the IPhT, CEA-Saclay and they will be broadcast via Zoom.

More information and speakers 

Organizers: Iosif Bena and Nick Warner

De quoi parle-t-on ? Il y a donc ce principe de causalité locale que le physicien des particules John Stewart Bell avait remis en cause dès 1964. Selon ce principe, qui semble pourtant une évidence, la cause d'un évènement se situe exclusivement dans son environnement proche.

Or, ce principe impose des contraintes sur les corrélations qui peuvent être observées entre les mesures effectuées sur des systèmes distants : elles doivent satisfaire des « inégalités ». Ce sont elles que le physicien proposait théoriquement de « violer », dans un test qui allait prendre son nom.

La « violation des inégalités de Bell » et le prix Nobel de physique 2022

Encore fallait-il être capable de parvenir expérimentalement à cette « violation des inégalités de Bell », que seule la physique quantique permettait selon Bell. La première expérience à la réussir fut celle de John Clauser en 1972. Bien que sujette à de nombreuses failles dans le protocole expérimental, appelées « échappatoires » (loopholes), elle permit de mettre en évidence le phénomène d'intrication quantique. S'en suivit celle d'Alain Aspect en 1982, bien plus rigoureuse car limitant le nombre d'échappatoires. D'autres démonstrations suivirent, dont celle d'Anton Zeilinger en 1998. Finalement en 2015, une série de tests fermant tous les échappatoires furent conduits…. Et les trois chercheurs reçurent le prix Nobel de Physique 2022.

Si ces expériences avaient pour support des photons, des atomes uniques ou des « centres NV » (type de défauts ponctuels dans un cristal), celle menée par Andreas Wallraff et son équipe utilise des qubits supraconducteurs. « Il s'agit d'« atomes artificiels » imprimés sur un matériau supraconducteur. C'est déjà une prouesse en soi : cela exige un très grand savoir-faire technologique, notamment en cryogénie car ces systèmes supraconducteurs ne fonctionnent qu'à très basse température », explique Nicolas Sangouard, physicien à l'IPhT.

Détail de l'expérience d'intrication quantique

L'expérience consiste à attribuer deux de ces atomes artificiels à deux protagonistes, Alice et Bob, séparés par un long canal de 30m ; de les intriquer puis de les mesurer simultanément pour déceler la violation d'une inégalité de Bell entre ces mesures pourtant distantes. Précisément :

• L'atome d'Alice est préparé dans l'état d'énergie « e », puis illuminé faiblement avec une pulse micro-onde.
• Si l'atome d'Alice est excité par cette pulse micro-onde, il retombe dans l'état « g » en émettant un photon.  Sinon, il reste alors en énergie « e » sans émettre de photon. Or selon le principe de superposition quantique, il y a la possibilité d'avoir ces deux états simultanément :  atome en « g » avec un photon / atome en « e » sans photon. On parle alors d'état intriqué entre l'atome et le photon.
• Ce même photon est envoyé 30m plus loin au système de Bob dont l'atome est préparé dans l'énergie « g ». S'il y a un photon (Alice en « g »), l'atome de Bob l'absorbe puis tombe dans l'énergie « e » ; s'il n'y en a pas (Alice « e »), Bob reste en « g ». Ainsi se retrouvent intriqués les atomes artificiels d'Alice et de Bob.

La maturité technologique des qubits supraconducteurs

C'est lors de la mesure de l'état d'énergie de chacun de ces deux systèmes intriqués que les corrélations quantiques apparaissent ; mesure effectuée avec une simultanéité de l'ordre de la dizaine de nanosecondes. Et cela 2²⁰ fois, c'est-à-dire lors de 1 048 576 mesures ! « Un volume de données qui nous a permis de borner la probabilité d'une erreur statistique à 10^-108, c'est-à-dire 0 suivi de 107 zéros après la virgule », indique Jean-Daniel Bancal, chercheur à l'IPhT, qui insiste sur ce niveau de confiance remarquable tout support matériel confondu (photons, atomes et centres NV).

« Cette expérience est formidable à plus d'un titre. Déjà, d'avoir généré au niveau d'Alice une intrication entre un atome et un photon. Ensuite, d'avoir conduit ce photon quasiment sans perte. Enfin, d'avoir intriqué et mesuré sans échappatoire les atomes artificiels d'Alice et de Bob à 30 mètres de distance, des atomes qui n'ont jamais interagit directement », s'enthousiasment les physiciens de l'IPhT. D'autant que cette expérience très fondamentale valide la maturité technologique des qubits supraconducteurs ; et ouvre la voie à des applications de cryptographie très avancées, que même un ordinateur quantique ne saurait violer !

Lien vers l'article de Nature

Lien vers le site de la DRF

« Aujourd'hui, tous les appels d'offre relatifs aux villes mentionnent leur jumeau numérique. C'est devenu une mode », constate Marc Barthélémy, physicien théoricien à l'IPhT. Précieux outils, ces jumeaux numériques modélisent et simulent les constituants d'une ville, comme les réseaux de transports et d'énergies, les activités industrielles, la météo ou les individus, afin d'anticiper son évolution et optimiser son fonctionnement. Leur approche se base sur l'accumulation massive de données, provenant des capteurs dans les villes de plus en plus nombreux et performants pour les simuler en temps réel grâce à une puissance exponentielle de calcul.

Toutefois, un collectif interdisciplinaire de chercheurs européens réunissant géographes, urbanistes et physiciens publie une mise en garde sur une idée sous-jacente : plus la simulation des données aurait un niveau de détail et de réalisme élevé, et plus le jumeau numérique serait capable de prédire fidèlement l'évolution du système. Or, force est de constater que non, tel que l'illustre le spécialiste des réseaux à l'IPhT : « Nous n'avons pas été capables de prédire la propagation du Covid 19 en France, ni même l'impact sur le trafic routier de la fermeture des voies sur berge de Paris en 2016 ».

La simplicité et la sobriété des sciences de la complexité

Une ville est un écosystème très complexe, hors équilibre, avec de multiples et diverses interactions entre des comportements individuels et collectifs sur des échelles spatio-temporelles tout aussi nombreuses. Elle a notamment la particularité de voir émerger, à grande échelle, un comportement collectif comme des mouvements de foule que la seule simulation de ses constituants ne peut prédire. C'est là qu'interviennent les théories et méthodes de la science de la complexité qui ont la singularité de se concentrer sur l'effet à grande échelle d'interactions microscopiques ; et ce, à l'aide de modèles simples.

« Les sciences de la complexité ont par exemple la capacité de classer les corrélations entre différents réseaux. Elles permettent de comprendre les systèmes complexes à de multiples niveaux, et en particulier les processus « bottom up » alors que les modèles des jumeaux numériques ne considèrent que les flux « top-down », indique le théoricien, ajoutant que la qualité de l'analyse et de la prédiction des jumeaux numériques demeure problématique. « La solution consisterait à allier les approches de la complexité avec celles du numérique ». Sans compter le gain en sobriété énergétique de ces avatars !

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Lien vers l'article de Nature