La vie dans un hologramme

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Dan Harlow passe beaucoup de temps à réfléchir 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 physique — est la théorie mécanique quantique des particules, des champs et des forces, et la façon 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 comment 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 voies respectives. Cependant, la théorie d'Einstein s'effondre lorsqu'elle tente de décrire le fonctionnement de la gravité à des échelles quantiques, tandis que la mécanique quantique fait des prédictions qui déforment la réalité lorsqu'elle est appliquée à des dimensions massives et cosmiques. Pendant plus d'un siècle, les physiciens ont cherché des moyens d'unir les deux théories et de découvrir la vérité sur ce qui fait vibrer notre univers.

Harlow soupçonne que tout fil conducteur peut être trop délicat à saisir dans notre univers existant. Au lieu de cela, il cherche des réponses dans une version "boomerang" – une réalité alternative qui se replie sur elle-même, un peu comme la trajectoire d'un boomerang, plutôt que 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) en utilisant une idée puissante appelée dualité holographique. Cela le rend beaucoup plus simple à contempler, du moins d'un point de vue théorique.

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 exactement les mêmes équations qui contrôlent les codes de correction d'erreurs quantiques qui, espérons-le, seront bientôt utilisés pour construire des ordinateurs quantiques du monde réel. Que les mathématiques décrivant la gravité aient quoi que ce soit à voir avec la protection des informations dans les ordinateurs quantiques était 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.

La découverte, que Harlow a faite en tant que postdoctorant à l'Université de Princeton en 2014, a suscité de nouvelles pistes de recherche dans l'étude de la gravité quantique et de la théorie de l'information quantique. Depuis qu'il a rejoint le MIT et le Center for Theoretical Physics en 2017, Harlow a poursuivi sa recherche de liens fondamentaux entre la relativité générale et la mécanique quantique, et comment ils peuvent se croiser dans les contextes des trous noirs et de la cosmologie.

"L'une des choses qui a été amusante, c'est que même si en physique et plus généralement en science, nous étudions tous différents systèmes et expériences, de nombreuses idées sont les mêmes", déclare Harlow, professeur agrégé qui a été titularisé en 2022. "Donc, j'essaie d'avoir l'esprit ouvert et de garder les oreilles ouvertes, et de chercher comment les choses peuvent être liées."

"Une philosophie humaniste"

Né à Cincinnati, Harlow a déménagé enfant avec sa famille à Boston, où il a passé plusieurs années avant que la famille ne déménage à nouveau, s'enracinant à Chicago. À 10 ans, il prend des cours de piano, se concentrant d'abord sur la musique classique, puis sur le rock. Au collège, il a joué du clavier dans divers groupes avant de trouver son rythme dans le style de jazz plus lâche et plus improvisé.

"J'aime m'asseoir et jouer avec les gens, et voir où les choses iront", dit Harlow.

Son amour du jazz est en partie ce qui l'a attiré à New York après le lycée, où il a fréquenté l'Université de 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 que les étudiants lisent des ouvrages classiques de littérature et de philosophie, a également séduit.

"Vous ne pouvez pas obtenir votre diplôme de Columbia sans lire" L'Iliade ", dit Harlow. "Cela vous donne une communauté partagée de choses dont vous pouvez parler. J'ai aimé la philosophie humaniste qui anime le lieu. Même si je choisissais d'être 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 exécuter 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 membre junior du corps professoral.

"Elle avait cette excellente façon de diriger son groupe, où elle n'était pas si accrochée aux publications ou à faire avancer les choses dans un court laps de temps", se souvient Harlow. "Elle nous a juste laissé jouer."

Questions ouvertes

Cette liberté mentale d'explorer de nouvelles idées restera avec Harlow tout au long de sa carrière. De Columbia, il est allé à l'ouest de l'Université de Stanford en 2006. Au sein du département de physique, il s'est trouvé aligné le plus naturellement avec le professeur Leonard Susskind, physicien théoricien et chef de file dans l'étude de la théorie des cordes.

"Son fort désir d'identifier les choses qui ne sont pas importantes et de les mettre de côté afin que vous puissiez vous concentrer sur l'essence du problème - c'était aussi la façon dont j'essaie de penser", explique Harlow, qui a fini par choisir Susskind comme conseiller. "Lenny a dit, 'travaille sur ce que tu veux, et je t'en parlerai.'"

Avec cette invitation ouverte, Harlow a gardé une oreille sur les conversations au sein du groupe de Susskind pour avoir une idée des grandes questions sur le terrain. Ce qu'il a entendu était un problème qui façonnerait 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 des scientifiques de la structure et de l'évolution à grande échelle de l'univers.

À la recherche d'une réponse, Harlow a lu tout ce qu'il pouvait trouver sur les deux théories. Ses lectures ont également saigné dans la science de l'information quantique - principalement, 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 des ordinateurs quantiques.

"Chaque fois que j'ai un indice 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", déclare Harlow. "Plus souvent qu'autrement, cet investissement porte ses fruits."

À la fin de son séjour à Stanford, Harlow a décidé de "prendre un virage difficile", en passant de la cosmologie aux trous noirs, qu'il considérait comme un système plus simple à étudier pour tous les fils fondamentaux reliant la mécanique quantique et la relativité générale.

En 2012, il est retourné à Princeton pour un post-doctorat 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. Alors que Harlow en apprenait davantage sur les informations quantiques, il a remarqué, et finalement confirmé, un chevauchement inattendu de la physique de la gravité autour des trous noirs et des codes de correction d'erreurs quantiques conçus pour protéger les informations.

"C'était une période très exploratoire et transformatrice", dit Harlow. "J'explore encore beaucoup de chemins que j'ai commencés là-bas."

Après un deuxième postdoctorat à l'Université de Harvard, Harlow a rejoint le MIT en tant que membre junior du corps professoral en 2017, où il continue d'établir des liens surprenants 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 joui d'un mépris collégial et productif de l'autorité.

"C'est une communauté où je peux aller voir le physicien théoricien le plus célèbre au monde, lui dire qu'il a tort, et si j'ai un argument, il m'écoutera", déclare Harlow. "Les gens sont ouverts. Il y a cet accord central partagé selon lequel, ce qui compte, c'est que nous trouvions la bonne réponse. Peu importe qui la trouve."

Parmi les réalisations de Harlow depuis son arrivée au MIT, il y a une preuve qu'il existe de fortes restrictions sur les symétries possibles de la gravité quantique, une compréhension plus profonde de la nature de l'énergie dans les systèmes gravitationnels et un cadre mathématique concret pour comprendre l'intérieur des trous noirs mécaniques quantiques.

Au-delà de la recherche, Harlow s'efforce d'apporter des voix et des perspectives plus diverses dans le domaine de la physique. En plus du travail de mentorat et de plaidoyer 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 plutôt blanche et masculine, et la rendre plus accueillante et accessible à une tranche plus large de l'humanité est l'une de mes priorités pour l'avenir", dit-il.

Pour l'avenir, Harlow envisage de prendre un nouveau tournant dans son cheminement de recherche, peut-être pour se concentrer moins sur les trous noirs dans un univers holographique, et plus sur la cosmologie, et la structure quantique et l'évolution de notre univers actuel.

"Je vis depuis longtemps dans l'espace anti-de Sitter", déclare Harlow. "C'est bien, mais je veux aussi comprendre le monde dans lequel nous vivons. Et ça devrait être amusant."

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