La gravité suit-elle les règles de la mécanique quantique ?

En physique quantique, les objets peuvent exister dans plusieurs états à la fois—un phénomène appelé superposition quantique, où une particule n’a pas une valeur unique et définie de position ou de quantité de mouvement tant qu’elle n’est pas mesurée. Une question majeure en suspens est de savoir si la gravité, une des forces fondamentales, suit également la règle quantique. Une façon de l’examiner passe par l’intrication induite par la gravité, où deux objets qui n’interagissent que via la gravité deviennent liés mécaniquement quantique.

À présent, des chercheurs dirigés par le professeur Kazuhiro Yamamoto de la Faculté des Sciences et de l’Institut de recherche sur les quanta et l’espace-temps, de l’Université de Kyushu, ont proposé un moyen d’améliorer la superposition quantique de la position d’un miroir dans des systèmes où deux miroirs interagissent par gravité, rendant ainsi le signal d’intrication résultant plus facile à détecter. Leurs résultats, publiés dans la revue Physical Review Research le 13 avril 2026, représentent une étape cruciale vers un test expérimental de savoir si la gravité est fondamentalement quantique.

L’intrication induite par la gravité suggère que si la gravité suit la mécanique quantique, alors deux objets interagissant uniquement par gravité devraient s’intriquer. C’est une prédiction naturelle de la nature quantique de la gravité. Détecter cet effet est cependant difficile car la gravité est faible à petite échelle.

Une façon de rendre ces effets observables est de contrôler soigneusement des objets relativement grands pour qu’ils soient dans le régime quantique. Ceci est réalisé en refroidissant les grands objets près de leur état d’énergie le plus bas, appelé l’état fondamental quantique, non seulement par refroidissement cryogénique mais aussi par une technique de filtrage optimal. À ce stade, le mouvement thermique aléatoire est minimisé. Dans cet état, le comportement quantique devient plus facile à détecter. La position et la quantité de mouvement de l’objet sont alors régies par le principe d’incertitude de Heisenberg, qui stipule qu’aucune de ces propriétés ne peut être connue avec une précision parfaite.

En utilisant cette approche, l’équipe de recherche comprenant Ryotaro Fukuzumi, Kosei Hatakeyama, Daisuke Miki, ainsi que leurs collègues de l’Université de Kyushu, au Japon, et du California Institute of Technology, aux États-Unis, a proposé une méthode pour améliorer l’intrication induite par la gravité en créant un état comprimé en quantité de mouvement dans des miroirs mobiles.

En mécanique quantique, la compression réduit l’incertitude d’une propriété, comme la quantité de mouvement, tout en augmentant l’incertitude d’une autre, comme la position. Dans l’état comprimé en quantité de mouvement décrit dans l’étude, la quantité de mouvement du miroir devient très précise, tandis que sa position devient plus étalée. En conséquence, le miroir existe dans une superposition quantique sur une plus grande région de l’espace.

« Nous avons démontré que l’utilisation de cet état comprimé en quantité de mouvement élargit significativement la superposition quantique de la position du miroir, amplifiant ainsi grandement le signal de l’intrication quantique générée par la gravité. Cela représente une nouvelle stratégie qui sera avantageuse pour les futures expériences visant à vérifier la nature quantique de la gravité », explique Yamamoto.

Les chercheurs ont obtenu cet état dans un système optomécanique en cavité, une configuration dans laquelle le mouvement d’un miroir peut être contrôlé avec une grande précision en utilisant la lumière laser piégée dans une cavité optique. En mesurant continuellement la lumière sortante et en traitant soigneusement le signal pour réduire le bruit thermique (ou filtrage quantique optique), les chercheurs ont montré qu’un état comprimé en quantité de mouvement peut émerger dans des conditions appropriées.

Placer deux de ces miroirs à proximité peut conduire à des signaux d’intrication plus forts via leur interaction gravitationnelle. Lorsque la quantité de mouvement est rendue plus précise, la position du miroir devient moins certaine et s’étale sur une plus grande surface. Cette diffusion plus large renforce la signature mesurable des effets quantiques de la gravité, rendant l’intrication plus facile à détecter.

Les chercheurs notent que bien que ce travail soit encore théorique, les conditions nécessaires pour créer l’état comprimé en quantité de mouvement sont à la portée de la technologie actuelle. « En particulier, on pense que la possibilité de générer et de détecter l’intrication induite par la gravité sera encore renforcée en utilisant des environnements à faible bruit tels que des conditions de très basse température et de haut vide ou l’espace extra-atmosphérique », souligne Yamamoto.

Si de futures expériences réussissent à détecter l’intrication induite par la gravité en utilisant cette approche, cela fournira une preuve directe que la gravité obéit aux règles de la mécanique quantique. Ainsi, cette étude pourrait ouvrir la voie à la réponse à une question de longue date en physique sur la façon dont la gravité s’intègre dans le monde quantique.

Pour plus d’informations sur cette recherche, voir « Momentum squeezed state realized via optimal filtering in optomechanics: Implications for gravity-induced entanglement », Ryotaro Fukuzumi, Kosei Hatakeyama, Daisuke Miki et Kazuhiro Yamamoto, Physical Review Research, DOI : 10.1103/zrs2-sk28.

Source : Kyushu U.