Anthony Ciavarella, physicien au Lawrence Berkeley National Laboratory, a mobilisé 104 des 156 qubits d’un processeur IBM Heron pour reproduire le phénomène d’hadronisation, par lequel les quarks s’agrègent en protons et neutrons sous l’effet de la force nucléaire forte. Les résultats, publiés dans Physical Review D, concordent avec les simulations classiques existantes et ouvrent la voie à des calculs quantiques capables de modéliser l’infiniment petit.
Un physicien du Lawrence Berkeley National Laboratory a mis à profit un processeur quantique IBM pour reproduire l’hadronisation, phénomène au cours duquel les quarks s’agrègent en particules composites sous l’effet de la force nucléaire forte. Anthony Ciavarella, à l’origine du projet, a piloté à distance un processeur Heron via la plateforme IBM Quantum, en mobilisant 104 des 156 qubits de la puce pour simuler la rupture de corde de gluons dans une dimension spatiale.
L’hadronisation, angle mort des collisionneurs
L’hadronisation constitue un processus central dans les expériences menées au sein des grands collisionneurs de particules, à commencer par le Grand Collisionneur de Hadrons du CERN. Lorsque des protons y entrent en collision à une vitesse proche de celle de la lumière, les quarks et antiquarks produits subissent l’hadronisation en un laps de temps trop bref pour autoriser une observation directe. La phénoménologie de la force nucléaire forte demeure ainsi largement tributaire des simulations informatiques, seules capables de combler un vide observationnel persistant. La portée des travaux dépasse la simple curiosité théorique : comprendre finement l’hadronisation conditionne la capacité à détecter d’éventuelles traces de physique au-delà du modèle standard dans les données du LHC.
« En principe, nous connaissons la théorie qui décrit l’hadronisation, mais nous sommes incapables d’en tirer des prédictions, car les calculs se sont révélés trop complexes pour un ordinateur classique », indique Anthony Ciavarella. « Avec un ordinateur quantique, nous devrions être en mesure de formuler directement des prédictions sur les mécanismes détaillés de l’hadronisation, ce qui contribuera aux recherches de nouvelle physique menées dans des collisionneurs tels que le LHC. »
Un modèle simplifié pour un matériel limité
Pour rendre le calcul exécutable sur le matériel quantique actuel, le chercheur a introduit plusieurs approximations. Il a d’abord appliqué une limite de quark lourd, restreignant le spectre des interactions à modéliser. Il a ensuite ramené l’espace à une seule dimension, là où la chromodynamique quantique réelle s’inscrit dans un cadre tridimensionnel. Enfin, une technique qu’il a co-développée, baptisée « scalable circuit concurrent variational quantum solver », a permis de préparer les qubits dans un état de vide stable, condition indispensable au lancement de la simulation.
Parmi les observations reproduites à partir de travaux classiques antérieurs, l’une retient l’attention : le centre de la corde de gluons semble se comporter comme s’il se vaporisait à une température finie avant de se rompre. Si une telle propriété se confirme dans plusieurs modèles, elle pourrait refléter le comportement réel de la chromodynamique quantique et offrir aux théoriciens un point d’appui pour valider les futures simulations de l’interaction forte.
Prochaines étapes : une dimension supplémentaire
Le projet, soutenu par le programme de recherche en informatique scientifique avancée du Département de l’énergie américain, ambitionne d’établir les modèles de calcul dont les physiciens auront besoin une fois que des processeurs quantiques plus grands et plus fiables seront disponibles. Ciavarella prévoit d’ajouter une deuxième dimension spatiale dans ses travaux à venir, à mesure que le matériel et les algorithmes progresseront. Le programme d’utilisation des ordinateurs quantiques du Oak Ridge National Laboratory, qui a rendu l’accès au processeur Heron possible, illustre la coopération croissante entre les laboratoires nationaux et les plateformes privées de calcul quantique.
La validation expérimentale obtenue constitue une étape tangible dans l’application du calcul quantique à la physique des hautes énergies. Elle démontre que les processeurs actuels, malgré leurs limitations en nombre de qubits et leur sensibilité au bruit, peuvent déjà reproduire des résultats de chromodynamique quantique avec une fidélité suffisante pour intéresser la communauté des théoriciens.
Article : « String breaking in the heavy quark limit with scalable circuits » – DOI : 10.1103/PhysRevD.111.054501
Source : Oak Ridge NL
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