Un ordinateur quantique simule l'apparition spontanée de la matière

Les travaux, publiés le 23 septembre dans Nature Physics, montrent comment les ordinateurs quantiques à ions piégés pourraient devenir des outils puissants pour explorer certaines des questions les plus profondes de la physique fondamentale. L'expérience a simulé un processus connu sous le nom de rupture de corde, dans lequel deux blocs de construction de la matière connectés sont séparés jusqu'à ce que tant d'énergie s'accumule que de nouvelles particules peuvent effectivement « surgir du néant » lorsque la connexion se rompt.

« Les simulations par ordinateur quantique constituent la meilleure plateforme pour étudier des questions complexes telles que la formation de la matière, à défaut d'avoir été témoin du Big Bang lui-même », a déclaré Christopher Monroe, le Gilhuly Family Presidential Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering and Physics à Duke, qui a dirigé cette recherche. « Ces découvertes signalent un développement marqué dans le domaine de la science quantique et nous ouvrent de nouvelles voies pour comprendre la dynamique de rupture de corde. »

L'étude a été réalisée par une collaboration internationale comprenant des chercheurs de l'University of Maryland (UMD), d'Oxford University, du California Institute of Technology, de Cornell University et de la KU Leuven. Les résultats paraissent aux côtés de deux autres études récemment publiées par des équipes distinctes qui ont reproduit une physique similaire en utilisant différents types de matériel informatique quantique.

Pourquoi les quarks ne peuvent pas être simplement séparés

Les quarks font partie des blocs de construction de la matière les plus fondamentaux connus. Ils se trouvent à l'intérieur de particules telles que les protons et les neutrons et sont environ un milliard de fois plus petits qu'un atome. Les scientifiques ne peuvent actuellement pas observer directement les quarks isolés car les quarks restent normalement étroitement liés les uns aux autres.

Une façon de se représenter cela est d'imaginer deux minuscules particules chargées reliées par une corde étroitement tendue. Plus on les écarte, plus l'énergie stockée dans la connexion entre elles est importante.

Finalement, suffisamment d'énergie peut s'accumuler pour créer des particules chargées supplémentaires. Cela est possible car la masse et l'énergie sont liées par la célèbre équation d'Einstein E=mc². Plutôt que de se terminer par une paire séparée, la connexion d'origine se rompt et de nouvelles paires de particules se forment.

De tels processus nécessitent d'énormes quantités d'énergie et ne se produisent normalement que dans des conditions extrêmes, telles que celles créées à l'intérieur du Large Hadron Collider ou celles censées avoir existé peu après le Big Bang.

Recréer la rupture de corde dans une machine quantique

Dans cette nouvelle expérience, l'équipe dirigée par Duke a reproduit un comportement analogue de rupture de corde à l'aide d'une plateforme quantique à ions piégés. Les simulateurs quantiques sont particulièrement utiles pour ce type de travail car les chercheurs peuvent les contrôler avec précision et les programmer pour imiter des processus physiques qui se produisent à des échelles atomiques et subatomiques.

« Travailler à l'intersection de la simulation quantique et de la physique des hautes énergies est incroyablement passionnant », a déclaré Arinjoy De, premier auteur de l'article, ancien étudiant en doctorat dans le laboratoire de Monroe et désormais responsable des machines de production chez QuEra Computing. « En simulant le confinement des quarks et les phénomènes de rupture de corde dans un environnement de laboratoire contrôlé, nous ouvrons de nouvelles voies pour des recherches expérimentales sur le comportement de la matière à son niveau le plus fondamental. »

Pour construire la simulation, les chercheurs ont encodé un modèle de rupture de corde dans une chaîne de 13 ions piégés. Des faisceaux laser soigneusement contrôlés ont ensuite été utilisés pour ajuster la manière dont les ions interagissaient les uns avec les autres.

Ces interactions ont permis à l'équipe de contrôler l'énergie du système d'une manière qui reproduisait l'étirement et la rupture éventuelle d'une corde de type particulaire.

Observer l'évolution du système quantique

Les chercheurs ont préparé le système dans un état hors équilibre, puis ont suivi son évolution au fil du temps. Cela leur a permis de détecter l'apparition de charges effectives et de reconstruire la dynamique associée au processus de rupture de corde simulé.

Pour vérifier les résultats, l'équipe a également modélisé le même processus à l'aide d'un ordinateur classique. Les calculs classiques concordaient avec les résultats expérimentaux produits par le simulateur quantique.

Pour des simulations à cette échelle relativement petite, les ordinateurs classiques peuvent encore effectuer les calculs. Les chercheurs s'attendent toutefois à ce qu'à mesure que les expériences futures deviendront plus vastes et plus complexes, les ordinateurs quantiques finiront par être capables de résoudre des versions de ces problèmes que les machines classiques ne peuvent pas traiter.

D'autres groupes de recherche ont récemment franchi des étapes similaires en utilisant différentes formes de matériel quantique. Des équipes dirigées par Google et QuEra Computing ont recréé des modèles de rupture de corde apparentés en utilisant respectivement des circuits supraconducteurs et des atomes neutres. Chaque approche présente ses propres forces et limites.

« Ce sont les trois plateformes en tête de file de l'informatique quantique, c'est donc une excellente référence et une comparaison pour la communauté quantique », a ajouté Monroe.

Vers des simulations au-delà des superordinateurs

Les résultats obtenus avec les ions piégés représentent une nouvelle étape vers des simulations quantiques trop complexes même pour les superordinateurs conventionnels les plus puissants au monde.

Si les systèmes quantiques continuent de monter en puissance, les chercheurs pourraient éventuellement les utiliser pour étudier des questions difficiles, voire impossibles à reproduire directement en laboratoire, notamment la manière dont la matière s'est comportée et a évolué peu après le Big Bang.

« En tant que physicienne, il est incroyablement excitant d'étudier les conditions de l'univers primitif dans une machine informatique à l'échelle atomique », a déclaré Zohreh Davoudi, associate professor of physics à l'UMD, qui faisait partie de l'équipe de recherche. « Même les moindres informations provenant d'un modèle physique hors équilibre nous guideront à l'avenir. »

La recherche a été soutenue par le Department of Energy (DE-SC0020312, DE-SC0025341, DESC0019040, DE-SC0024220, DE-SC0020271), la National Science Foundation (OMA-2120757), l'Air Force Office of Scientific Research, la Defense Advanced Research Projects Agency et Amazon Web Services.