Did This Physicist Just Resolve the Black Hole Information Paradox?

La discussion porte sur la notion de "grand" dans le contexte des systèmes quantiques, et comment cela se rapporte à la gravité, en particulier à la dimension de l'espace de Hilbert ou au nombre de qubits. Bien que la connexion ne soit pas évidente, il existe un lien entre cette "taille" et, par exemple, la taille d'un trou noir, qui possède un certain contenu informationnel et une entropie associée. L'idée est que la taille d'un système quantique pourrait être liée à la taille d'un trou noir que l'on pourrait construire en y comprimant toute son information. L'intervenant établit ensuite un lien avec les cadres de référence, en se basant sur des travaux antérieurs sur l'analyse informationnelle de l'expérience consistant à jeter des informations dans un trou noir et à tenter de les récupérer de son rayonnement de Hawking. Ce scénario est souvent discuté dans le contexte du paradoxe de l'information, où certains pensent que l'information peut être récupérée (comme l'idée d'un trou noir agissant comme un miroir, proposée par Patrick Hayden et John Preskill), tandis que d'autres estiment que le rayonnement est purement thermique et ne permet aucune récupération. L'étude menée par l'intervenant et son ancien étudiant, Jin Xawo Wang, suggère que ces deux points de vue contradictoires peuvent coexister, car ils découlent d'hypothèses implicites différentes concernant les cadres de référence. Ceux qui affirment que le rayonnement est purement thermique supposent implicitement l'absence de cadre de référence par rapport auquel l'information émise par le trou noir pourrait avoir un sens. Pour illustrer cela, l'intervenant propose un exemple simple : imaginez un univers vide où une source émet une particule de spin. Si une seule particule arrive, la question de savoir si son spin est "haut" ou "bas" n'est pas définie, car il n'y a rien d'autre dans l'univers pour servir de référence. Cependant, si le processus continue et que d'autres particules de spin sont émises, on peut les comparer et définir des spins relatifs. Cette analogie est appliquée au rayonnement de Hawking d'un trou noir. Si un seul trou noir est créé et émet du rayonnement, la première émission serait comme la première particule de spin : elle est là, mais sans référence, elle n'a pas de sens défini. Cependant, si l'on crée de nombreux trous noirs identiques en parallèle, on pourrait utiliser le rayonnement des premiers comme référence pour interpréter le rayonnement des suivants. Par exemple, en combinant les premières particules de spin émises par 999 trous noirs pour créer une "flèche" de référence, le spin de la millième particule émise par le millième trou noir pourrait alors être comparé à cette référence. Les calculs effectués ont montré que si de nombreux trous noirs sont créés en parallèle, ils peuvent servir de référence, et par rapport à cette référence, les autres trous noirs émettraient un rayonnement très ordonné, non aléatoire. En revanche, si l'on ne considère qu'un seul trou noir sans référence, le rayonnement apparaît complètement aléatoire. En d'autres termes, un trou noir peut créer un nouveau type d'information (comme le spin dans un univers où il n'y en avait pas avant). Si l'univers n'a pas de direction et que le premier spin est créé, la notion de direction n'a pas de sens. Mais avec de nombreux spins, on peut commencer à donner un sens à la direction en les utilisant comme référence. L'intervenant considère son travail comme un "théorème d'incohérence" plutôt qu'un "théorème d'impossibilité" (no-go theorem), bien qu'il ait initialement appelé les deux ainsi. Un théorème d'incohérence, selon lui, survient lorsque des hypothèses (par exemple, l'universalité de la mécanique quantique, la possibilité de communiquer et d'adapter les connaissances, et l'absence de contradiction entre les prédictions) ne peuvent pas être valides simultanément lorsqu'elles sont appliquées à une expérience. Si l'on ajoute l'hypothèse que l'expérience peut être réalisée, ces quatre hypothèses deviennent incompatibles. On peut alors choisir de donner la priorité à une hypothèse, ce qui peut faire apparaître le résultat comme un théorème d'incohérence, mais il s'agit plutôt d'un réordonnancement des priorités. Un théorème d'impossibilité, en revanche, est plus neutre et affirme simplement qu'un ensemble d'hypothèses ne peut pas être simultanément vrai, obligeant à en abandonner au moins une. Face à la critique de "pédanterie" (par exemple, de la part d'un physicien comme Sean Carroll, qui pourrait argumenter qu'une telle rigueur empêcherait même de théoriser une simple particule d'électron avec une charge sans un cadre de mesure), l'intervenant reconnaît une certaine "pédanterie" mais préfère le terme "opérationnel". Il estime que de nombreux problèmes et discussions en physique proviennent de concepts mal définis, c'est-à-dire que leur signification n'est pas claire si une expérience était réellement menée. L'exemple du spin et du trou noir illustre ce point : tant que le cadre de référence pour la mesure n'est pas spécifié, on obtient des déclarations contradictoires. Si l'on n'explicite pas les hypothèses concernant la référence, il n'est pas surprenant que différentes conclusions soient tirées. L'intervenant insiste sur la nécessité d'être explicite : si une expérience est réalisée, le système mesuré doit interagir explicitement avec une référence. Si la nature de cette référence (son existence, etc.) n'est pas connue, des conclusions divergentes sont inévitables. De nombreux conflits pourraient être résolus de cette manière. Le message de l'article avec Jin Sao Wang est qu'aucune des attitudes n'est intrinsèquement juste ou fausse ; elles manquaient simplement de spécificité pour rendre la question décidable. Les questions de physique doivent être décidables, ce qui signifie qu'en principe, une expérience pourrait les résoudre. Pour cela, il faut modéliser tout ce qui est potentiellement pertinent, tout en distinguant ce qui est essentiel de ce qui est purement technologique et peut être abstrait. En tant que théoricien de l'information quantique, l'intervenant apprécie l'abstraction et cherche à éliminer ce qui est sans importance (par exemple, le type d'atome réalisant un qubit). L'information quantique a connu un succès énorme grâce à cette abstraction, permettant le développement de concepts et de l'informatique quantique à un niveau très abstrait. Cependant, l'intervenant suggère que cette abstraction est peut-être allée trop loin, notamment en se débarrassant complètement des notions d'espace, de temps et de cadres de référence. Il estime qu'il est peut-être temps de repenser et de réintroduire ces concepts là où ils sont pertinents. Sa propre leçon, tirée de son travail en information quantique et de son passage à la gravité, est que l'abstraction a peut-être trop poussé. Abstraire le spin sans parler de la référence nécessaire pour le mesurer n'est pas une bonne abstraction pour répondre à certaines questions. Il est crucial de se demander si l'on est au bon niveau d'abstraction et si des éléments essentiels n'ont pas été écartés. Son sentiment est que l'abstraction des cadres de référence a été une erreur, du moins pour ce type d'expériences, car ils sont fondamentaux. Dans le cas du paradoxe de l'information des trous noirs, il y a deux opinions divergentes parce que des hypothèses implicites différentes sont faites concernant des éléments non explicitement modélisés, comme la mesure du rayonnement de Hawking. Les gens parlent abstraitement du rayonnement de Hawking comme d'un état quantique, mais pour le mesurer, une référence est nécessaire, et cette référence doit provenir de quelque part. Il faudrait également connaître l'opérateur unitaire qui crée le rayonnement, ce qui nécessiterait une tomographie de processus quantique, et donc la création de nombreux trous noirs. Cela introduit d'autres difficultés, car de nombreux trous noirs seraient corrélés dans le même espace-temps, entraînant potentiellement des trous de ver et d'autres phénomènes. Ces difficultés sont très importantes à prendre en compte.