Les recherches du physicien du MIT Daniel Harlow sur un univers théorique « boomerang » ont révélé des liens entre les mathématiques de la gravité quantique et la théorie de l’information quantique, jetant potentiellement un pont entre la théorie d’Einstein et la mécanique quantique. Harlow met également l’accent sur la diversité en physique, en favorisant les opportunités pour les étudiants sous-représentés.
Le physicien Daniel Harlow explore une réalité quantique alternative à la recherche de vérités fondamentales pour notre univers physique.
Dan Harlow passe beaucoup de temps à penser dans un univers « boomerang ».
Le physicien du MIT cherche des réponses à l’une des plus grandes questions de la physique moderne : comment notre univers peut-il respecter deux règles incompatibles ?
Le premier – le modèle standard de la physique – est la théorie de la mécanique quantique des particules, des champs et des forces, et la manière dont ils interagissent pour construire l’univers dans lequel nous vivons. Le second – la théorie de la relativité générale d’Einstein – décrit l’influence de la gravité et la manière dont la force fondamentale rassemble la matière pour construire les planètes, les galaxies et d’autres objets massifs.
Les deux théories fonctionnent remarquablement bien dans leurs domaines respectifs. Cependant, la théorie d’Einstein s’effondre lorsqu’elle tente de décrire le fonctionnement de la gravité à l’échelle quantique, tandis que la mécanique quantique fait des prédictions qui bouleversent la réalité lorsqu’elle est appliquée aux dimensions massives et cosmiques. Depuis plus d’un siècle, les physiciens cherchent des moyens d’unir les deux théories et de découvrir la vérité sur le fonctionnement de notre univers.
Harlow soupçonne que tout fil conducteur est trop délicat à saisir dans notre univers actuel. Il cherche donc des réponses dans une version « boomerang », une réalité alternative qui se replie sur elle-même, comme la trajectoire d’un boomerang, au lieu de s’étirer et de s’étendre sans fin comme le fait notre univers actuel. La gravité quantique dans cet univers boomerang s’avère plus facile à comprendre, car elle peut être reformulée en termes de théorie quantique conventionnelle (sans gravité) à l’aide d’une idée puissante appelée dualité holographique. Cela la rend beaucoup plus simple à envisager, du moins d’un point de vue théorique.
Daniel Harlow, physicien au MIT, cherche à comprendre comment notre univers peut respecter deux règles incompatibles, le modèle standard de la physique et la théorie de la relativité générale d’Einstein. Il cherche des réponses dans une réalité alternative « boomerang » qui représente l’univers comme un hologramme de lui-même. Crédit : Gretchen Ertl
Dans cet environnement boomerang, Harlow a fait des révélations passionnantes et inattendues. Il a montré, par exemple, que les équations qui décrivent le comportement de la gravité dans cet univers « jouet » sont les mêmes que celles qui contrôlent les codes correcteurs d’erreurs quantiques qui, espérons-le, seront bientôt utilisés pour construire des ordinateurs quantiques réels. Le fait que les mathématiques décrivant la gravité aient quelque chose à voir avec la protection des informations dans les ordinateurs quantiques a été une surprise en soi. Le fait que les deux phénomènes partagent la même physique, du moins dans cet univers alternatif, suggère un lien potentiel entre la théorie d’Einstein et la mécanique quantique dans l’univers réel.
Cette découverte, faite par M. Harlow alors qu’il était postdoc à l’université de Princeton en 2014, a ouvert de nouvelles pistes de recherche pour l’étude de la gravité quantique et de la théorie de l’information quantique. Depuis qu’il a rejoint le MIT et le Centre de physique théorique en 2017, Harlow a poursuivi sa recherche de connexions fondamentales entre la relativité générale et la mécanique quantique, et la façon dont elles peuvent se croiser dans les contextes des trous noirs et de la cosmologie.
« L’une des choses les plus amusantes est que, même si en physique et plus généralement en science, nous étudions tous des systèmes et des expériences différents, beaucoup d’idées sont les mêmes », explique Harlow, professeur agrégé titularisé en 2022. « J’essaie donc d’avoir l’esprit ouvert et de rester à l’écoute, et de chercher comment les choses peuvent être liées.
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« Une philosophie humaniste
Né à Cincinnati, Harlow déménage enfant avec sa famille à Boston, où il passe plusieurs années avant que la famille ne déménage à nouveau, s’enracinant à Chicago. À l’âge de 10 ans, il prend des cours de piano, se concentrant d’abord sur la musique classique, puis sur le rock. Au collège, il joue du clavier dans divers groupes avant de trouver sa voie dans le style plus libre et plus improvisé du jazz.
« J’aime m’asseoir et jouer avec les gens, et voir où les choses vont aller », déclare Harlow.
C’est en partie sa passion pour le jazz qui l’a attiré à New York après le lycée, où il a fréquenté l’université Columbia, qui se trouvait à proximité de certains des meilleurs clubs de jazz de la ville. Le programme de base de l’université, qui exigeait des étudiants qu’ils lisent des classiques de la littérature et de la philosophie, l’a également séduit.
« On ne peut pas être diplômé de Columbia sans avoir lu « L’Iliade », explique Harlow. « Cela vous donne une communauté partagée de choses dont vous pouvez parler. J’ai aimé la philosophie humaniste qui anime cet établissement. Même si je choisissais de devenir physicien, j’aurais toujours cette expérience culturelle plus large.
Harlow a travaillé pendant trois ans comme assistant de recherche de premier cycle dans un laboratoire de cosmologie expérimentale sur le campus, où il a appris à travailler dans une salle blanche et à effectuer des simulations pour améliorer les performances des filtres conçus pour détecter les signes subtils de rayonnement laissés par le Big Bang.
Harlow a particulièrement apprécié l’approche générale de la responsable du laboratoire, Amber Miller, qui était alors un jeune membre de la faculté.
« Elle dirigeait son groupe d’une manière remarquable, sans se préoccuper des publications ou de la nécessité de faire avancer les choses à court terme », se souvient Harlow. « Elle nous laissait simplement nous amuser.
Questions ouvertes
Cette liberté mentale d’explorer de nouvelles idées accompagnera Harlow tout au long de sa carrière. En 2006, il quitte Columbia pour rejoindre l’université de Stanford, dans l’ouest du pays. Au sein du département de physique, c’est avec le professeur Leonard Susskind, physicien théoricien et chef de file de l’étude de la théorie des cordes, qu’il s’est senti le plus naturellement à l’aise.
« Son désir profond d’identifier les choses qui ne sont pas importantes et de les mettre de côté pour pouvoir se concentrer sur l’essence du problème – c’est aussi la façon dont j’essaie de penser », explique Harlow, qui a fini par choisir Susskind comme conseiller. Lenny m’a dit : « Travaille sur ce que tu veux et je t’en parlerai ».
Fort de cette invitation, Harlow se tient à l’écoute des conversations au sein du groupe de Susskind pour se faire une idée des grandes questions qui se posent dans ce domaine. Ce qu’il a entendu, c’est un problème qui allait façonner le reste de sa carrière de chercheur : la question de savoir comment relier la mécanique quantique à la relativité générale, dans le contexte de la cosmologie, et la compréhension qu’ont les scientifiques de la structure à grande échelle et de l’évolution de l’univers.
À la recherche d’une réponse, Harlow a lu tout ce qu’il pouvait trouver sur les deux théories. Ses lectures se sont également étendues à la science de l’information quantique, un domaine qui se concentre sur l’application des principes de la mécanique quantique et de la théorie de l’information à l’étude et au développement d’ordinateurs quantiques.
« Chaque fois que j’ai l’intuition qu’un outil sera important pour un problème que j’essaie de résoudre, j’en apprends beaucoup plus que ce dont je pense avoir besoin », explique M. Harlow. « Le plus souvent, cet investissement s’avère payant.
À la fin de son séjour à Stanford, Harlow a décidé de « prendre un virage important », passant de la cosmologie aux trous noirs, qu’il considérait comme un système plus simple à étudier pour trouver des liens fondamentaux entre la mécanique quantique et la relativité générale.
En 2012, il est retourné à Princeton pour un postdoc de trois ans, au cours duquel il a commencé à explorer le comportement quantique des trous noirs gravitationnels. Pour simplifier le problème, il l’a fait dans un univers « boomerang » – ce que les physiciens appellent « l’espace anti-de Sitter », du nom du physicien qui a étudié la courbure de l’univers. Au fil de ses lectures sur l’information quantique, Harlow a remarqué, et finalement confirmé, un chevauchement inattendu entre la physique de la gravité autour des trous noirs et les codes correcteurs d’erreurs quantiques conçus pour protéger l’information.
« Ce fut une période très exploratoire et transformatrice », déclare M. Harlow. « Je continue d’explorer de nombreuses voies que j’avais entamées à l’époque.
Après un second postdoc à l’université de Harvard, Harlow a rejoint le MIT en tant que membre junior de la faculté en 2017, où il continue à établir des connexions surprenantes dans l’étude de la gravité quantique et de la science de l’information quantique. À l’Institut, et plus largement dans le domaine de la physique théorique, il a bénéficié d’un mépris collégial et productif de l’autorité.
« C’est une communauté où je peux aller voir le physicien théoricien le plus célèbre du monde, lui dire qu’il a tort, et si j’ai des arguments à faire valoir, il m’écoutera », explique M. Harlow. « Les gens sont ouverts. Les gens sont ouverts. Ils sont tous d’accord pour dire que ce qui compte, c’est de trouver la bonne réponse, peu importe qui la trouve. Peu importe qui la trouve.
Parmi les réalisations de Harlow depuis son arrivée au MIT, on peut citer la preuve qu’il existe de fortes restrictions sur les symétries possibles de la gravité quantique, une meilleure compréhension de la nature de l’énergie dans les systèmes gravitationnels et un cadre mathématique concret pour comprendre l’intérieur des trous noirs de la mécanique quantique.
Au-delà de la recherche, M. Harlow s’efforce de faire entendre des voix et des points de vue plus divers dans le domaine de la physique. Outre ses activités de mentorat et de sensibilisation en dehors du MIT, il dirige un programme au sein du département de physique qui invite des étudiants issus de milieux sous-représentés et défavorisés à effectuer des recherches en physique au MIT chaque été.
« Malheureusement, la physique reste une discipline plutôt blanche et masculine, et l’une de mes priorités à l’avenir est de la rendre plus accueillante et plus accessible à une plus grande partie de l’humanité », déclare-t-il.
Pour l’avenir, M. Harlow envisage de donner un nouveau tournant à ses recherches, peut-être en se concentrant moins sur les trous noirs dans un univers holographique et davantage sur la cosmologie, la structure quantique et l’évolution de notre univers actuel.
« Je vis depuis longtemps dans un espace anti-de Sitter », déclare Harlow. « C’est très bien, mais je veux aussi comprendre le monde dans lequel nous vivons. Et cela devrait être amusant. »