Des scientifiques ont utilisé un simulateur quantique pour recréer l’un des phénomènes les plus étranges de la physique : l’émergence de paires de particules lorsqu’une connexion énergétique entre des particules fondamentales se rompt.
Des chercheurs dirigés par le Duke Quantum Center ont simulé ce phénomène, appelé rupture de corde, au moyen d’une chaîne de 13 ions piégés. Ce processus est lié à la formation de particules et d’antiparticules, ainsi qu’à la physique observée dans les collisions de particules et dans l’Univers primordial.
L’expérience n’a pas littéralement créé de la matière à partir de rien. Elle montre plutôt comment le matériel quantique pourrait devenir un laboratoire pour étudier la physique des hautes énergies, dont la modélisation devient de plus en plus difficile à mesure que les systèmes gagnent en complexité.
Un simulateur quantique recrée la rupture de cordes
En physique des particules, les quarks sont confinés à l’intérieur de particules composites telles que les protons et les neutrons par la force nucléaire forte.
Une façon de visualiser ce confinement consiste à l’imaginer comme une corde énergétique. À mesure que les particules confinées s’éloignent, l’énergie potentielle qui les sépare augmente. Lorsqu’une quantité suffisante d’énergie s’est accumulée, de nouvelles paires de particules et d’antiparticules peuvent se former, et la corde initiale se rompt effectivement.
Des chercheurs ont recréé une dynamique analogue à l’aide d’un simulateur quantique programmable à ions piégés.
L’équipe a encodé une théorie de jauge sur réseau simplifiée dans une chaîne de 13 ions atomiques. Des faisceaux laser contrôlés avec précision ont ajusté les interactions entre les ions, permettant aux chercheurs d’imiter les variations de l’énergie du système.
En préparant les ions dans un état hors équilibre et en suivant leur évolution, l’équipe a observé la formation de charges effectives et reconstitué la dynamique de rupture de cordes qui en résultait.
L’étude a été publiée le 23 septembre dans Nature Physics par des chercheurs de Duke University, de l’University of Maryland, d’Oxford University, du California Institute of Technology, de Cornell University, de KU Leuven et d’autres établissements.
Arinjoy De, premier auteur de l’article et désormais responsable de la production des machines chez QuEra Computing, a déclaré que l’expérience pourrait ouvrir de nouvelles pistes pour étudier le comportement de la matière à des échelles fondamentales.
Pourquoi utiliser un ordinateur quantique ?
L’expérience menée avec 13 ions était encore suffisamment réduite pour être reproduite sur un ordinateur classique.
Les chercheurs ont comparé la simulation classique à l’expérience avec les ions piégés et ont constaté que le système quantique produisait le comportement attendu.
La difficulté apparaît lorsque ces modèles changent d’échelle.
Simuler en temps réel le comportement de systèmes quantiques en interaction peut devenir extrêmement exigeant pour les ordinateurs conventionnels. Les simulateurs quantiques offrent une autre approche, car leurs propres états quantiques peuvent être programmés pour émuler les systèmes que les physiciens souhaitent étudier.
Christopher Monroe, professeur d’électrotechnique, d’informatique et de physique à Duke, qui a dirigé ces travaux, a déclaré que la simulation quantique pourrait à terme aider les chercheurs à étudier des questions liées à la formation de la matière et à la physique de l’Univers primordial.
L’un des objectifs à long terme consiste à faire évoluer les simulations quantiques vers des régimes qu’il devient impossible de reproduire directement avec des ordinateurs classiques.
Ce qu’eWeek a constaté : la rupture de cordes devient un comparatif multiplateforme
L’expérience de Duke devient plus intéressante lorsqu’on la met en regard de travaux connexes menés avec d’autres types de matériel quantique.
Des équipes dirigées par Google et QuEra Computing ont elles aussi étudié la rupture de cordes ou des dynamiques apparentées de théories de jauge. Les travaux de Google reposaient sur des circuits supraconducteurs, tandis que QuEra et ses collaborateurs ont démontré des phénomènes connexes avec des atomes neutres.
Cela signifie que des versions de problèmes connexes de physique des hautes énergies ont désormais été explorées sur trois grandes architectures quantiques : les ions piégés, les circuits supraconducteurs et les atomes neutres.
Plateforme quantique | Exemple de recherche | Fonctionnement | Importance dans ce contexte |
| Ions piégés | Expérience dirigée par Duke | Des ions atomiques contrôlés par laser représentent le système quantique | Simulation d’une dynamique de rupture de cordes avec 13 ions |
| Circuits supraconducteurs | Recherche dirigée par Google | Des qubits supraconducteurs sont contrôlés au moyen de signaux hyperfréquence | Démonstration de dynamiques apparentées de théories de jauge et de rupture de cordes sur une architecture différente |
| Atomes neutres | Recherche liée à QuEra | Des atomes neutres contrôlés par laser servent d’éléments quantiques programmables | Une autre approche matérielle pour étudier des dynamiques connexes de théories de jauge |
Cette comparaison est importante, car l’informatique quantique ne s’est pas encore arrêtée sur une architecture matérielle unique. Chaque architecture possède des atouts différents en matière de fidélité, de connectivité, de passage à l’échelle et de contrôle.
Les expériences ne sont pas identiques et ne doivent pas être considérées comme une référence normalisée. Elles offrent toutefois aux chercheurs un point de comparaison émergent pour évaluer la manière dont différentes architectures quantiques traitent des problèmes de physique scientifiquement significatifs.
Monroe a décrit ces trois approches comme les principales plateformes de l’informatique quantique et a déclaré que l’étude de problèmes connexes sur chacune d’elles constituait une référence et un outil de comparaison utiles pour le secteur.
C’est peut-être le résultat le plus important pour l’industrie quantique. L’expérience de Duke ne démontre pas de suprématie quantique, mais elle ajoute une architecture à un ensemble croissant de travaux qui testent les machines quantiques sur des systèmes physiques complexes, susceptibles de devenir plus difficiles à reproduire classiquement à mesure qu’ils changent d’échelle.
Les simulateurs quantiques pourraient sonder une physique hors de portée du classique
L’expérience actuelle reste dans le domaine de la vérification classique ; les chercheurs ne prétendent donc pas que la machine à ions piégés a surpassé les ordinateurs conventionnels.
L’importance de ces travaux réside plutôt dans ce qui pourrait se produire à mesure que les modèles deviennent plus vastes et plus complexes.
L’article de Nature Physics ouvre la voie à des théories de jauge sur réseau toujours plus sophistiquées, pertinentes pour la physique des hautes énergies, notamment à des phénomènes liés à la fragmentation des cordes, aux interactions entre particules et à la cosmologie.
La chromodynamique quantique, la théorie qui décrit l’interaction forte entre les quarks et les gluons, reste un objectif à long terme bien plus ambitieux. Un simulateur complet de chromodynamique quantique dépasse les capacités du matériel actuel.
De futures expériences pourraient modéliser des dynamiques de cordes et des phénomènes plus complexes, pertinents pour les collisions de particules et la cosmologie.
Les simulateurs quantiques pourraient à terme compléter les expériences menées avec des accélérateurs en offrant aux chercheurs un moyen contrôlable d’émuler certaines dynamiques sous-jacentes difficiles à isoler expérimentalement.
Pour l’instant, 13 ions sont très loin de suffire à reconstituer l’Univers après le Big Bang. Mais l’expérience pointe vers une mesure plus utile des progrès quantiques que le seul nombre de qubits : la capacité du matériel quantique à reproduire une physique scientifiquement significative dont le calcul finit par devenir impraticable pour les machines classiques.
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