Un ordinateur quantique recrée des collisions de particules transformant l'énergie en matière

Dans les premiers instants qui suivent la collision de deux particules à haute énergie, quelque chose de remarquable peut se produire : l'énergie cinétique de la collision se transforme en particules entièrement nouvelles qui n'existaient pas avant l'impact. Ce processus, connu sous le nom de production inélastique de particules, est l'une des conséquences les plus fondamentales de la théorie quantique des champs et sous-tend ce qui se passe dans les collisionneurs de particules et dans l'univers chaud et dense quelques instants après le Big Bang. Pourtant, simuler de telles collisions hors équilibre sur des ordinateurs ordinaires est extraordinairement difficile, car l'intrication et la complexité des états quantiques impliqués croissent de manière explosive avec la taille du système et le temps. Aujourd'hui, une équipe de chercheurs a rapporté des preuves de production inélastique de particules dans une théorie quantique des champs en utilisant un processeur quantique numérique, exécutant une simulation sur 104 qubits et ouvrant une voie pratique vers l'étude de la dynamique de diffusion en temps réel qui est longtemps restée hors de portée du calcul classique.

Le travail, publié dans Nature Physics par Roland C. Farrell et John Preskill du California Institute of Technology ainsi que Nikita A. Zemlevskiy et Marc Illa de l'University of Washington, se concentre sur la théorie des champs d'Ising unidimensionnelle, un modèle simplifié mais physiquement riche de particules en interaction. L'équipe a fait entrer en collision deux paquets d'ondes, chacun transportant la particule la plus légère de la théorie, et a observé ce qui émergeait après le choc. En mesurant l'asymétrie (skewness) de la densité d'énergie laissée dans la zone de collision, ils ont identifié une composante inélastique du rayonnement sortant : un état final contenant une particule légère aux côtés d'une particule plus lourde, une configuration qui ne pourrait survenir que si l'énergie de collision avait été convertie en nouvelle matière. L'expérience a utilisé jusqu'à 5 589 portes à deux qubits pour accéder à la dynamique post-collision, ce qui en fait l'une des simulations quantiques de diffusion les plus profondes rapportées à ce jour.