Une équipe de recherche dirigée par des enseignants-chercheurs du Duke Quantum Center (DQC) a observé sur un simulateur quantique une dynamique de rupture de corde liée à la formation de paires particule-antiparticule, l’une des premières du domaine de la physique quantique.
Cette approche, décrite dans la revue Nature Physics le 23 septembre, démontre la viabilité des ordinateurs quantiques à ions piégés pour commencer à sonder des questions fondamentales sur l’univers. L’expérience émule un phénomène appelé rupture de corde, dans lequel deux briques élémentaires de la matière reliées entre elles s’écartent, finissant par générer assez d’énergie pour que de nouvelles particules « surgissent » lorsque le lien se rompt.
« Les simulations sur ordinateur quantique offrent la meilleure plateforme pour étudier des questions complexes comme la formation de la matière, à moins d’avoir soi-même été témoin du Big Bang », a déclaré Christopher Monroe, titulaire de la chaire Gilhuly Family Presidential Distinguished Professor en génie électrique et informatique et en physique à Duke, qui a dirigé ces recherches. « Ces résultats signalent une avancée marquée dans le domaine des sciences quantiques et ouvrent de nouvelles voies pour comprendre la dynamique de rupture de corde. »
Cette recherche a été menée par une collaboration internationale réunissant l’Université du Maryland (UMD), l’Université d’Oxford, le California Institute of Technology, l’Université Cornell et la KU Leuven. Ces résultats rejoignent deux publications similaires, dirigées par d’autres équipes de recherche du domaine, qui ont simulé le même phénomène sur différentes plateformes d’ordinateurs quantiques.
Les briques élémentaires de la matière
Les briques élémentaires de la matière, les quarks, n’existent que lorsqu’ils sont liés à l’intérieur de particules telles que les protons et les neutrons. Ils sont environ un milliard de fois plus petits qu’un atome et ne peuvent actuellement pas être observés directement. On peut se représenter des paires de quarks comme deux minuscules particules chargées reliées par une corde tendue ; elles veulent rester ensemble, et il faut donc pas mal d’énergie pour les séparer.
Mais une fois qu’elles sont séparées de force, l’énergie accumulée dans leur liaison peut suffire à créer davantage de particules chargées, la masse et l’énergie étant directement liées par la célèbre équation d’Einstein E=mc2. Lorsque cela se produit, la corde se rompt, laissant deux paires de particules ou plus au lieu d’une seule. Ce processus exige toutefois une quantité d’énergie telle qu’il ne se produit que dans des environnements extrêmes, comme le Grand collisionneur de hadrons ou les suites du Big Bang.
Dans cette nouvelle étude, l’équipe dirigée par le DQC a observé avec succès une dynamique analogue de rupture de corde sur une plateforme quantique à ions piégés. Les simulateurs quantiques, grâce à leur haut degré de contrôlabilité, peuvent être programmés pour reproduire les processus réels qui se produisent aux échelles quantiques atomiques, voire subatomiques.
« Travailler à l’intersection de la simulation quantique et de la physique des hautes énergies est incroyablement enthousiasmant », a déclaré Arinjoy De, premier auteur de l’article, ancien doctorant du 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 l’étude expérimentale du comportement de la matière à son niveau le plus fondamental. »
Comment la simulation a fonctionné
Pour réaliser la simulation, l’équipe a encodé un modèle de rupture de corde dans une chaîne de 13 ions piégés. À l’aide de faisceaux laser précisément contrôlés, les chercheurs ont pu ajuster les interactions entre les ions. Ces interactions contrôlent en effet l’énergie du système d’une manière qui imite l’étirement puis la rupture éventuelle d’une corde.
En préparant le système dans un état hors équilibre et en suivant son évolution dans le temps, les chercheurs ont observé l’apparition de charges effectives et reconstruit la dynamique de corde qui en résulte.
L’équipe a également simulé le processus sur un ordinateur classique et confirmé que les résultats expérimentaux obtenus par calcul quantique étaient exacts. À mesure que la taille du problème augmentera dans de futures expériences, toutefois, seuls les ordinateurs quantiques, et non les ordinateurs classiques, pourront résoudre ces problèmes.
Le processus de rupture de corde dans d’autres modèles a également été reproduit par les équipes dirigées par Google et QuEra Computing, sur des plateformes reposant respectivement sur des circuits supraconducteurs et des atomes neutres, chacune ayant ses propres avantages et défis.
« Ce sont les trois plateformes qui mènent la charge en informatique quantique, c’est donc un bon repère et une bonne comparaison pour la communauté quantique », a ajouté Monroe.
Les résultats obtenus sur la plateforme à ions piégés marquent une étape prometteuse vers la construction de simulations quantiques assez complexes pour dépasser les capacités des plus grands supercalculateurs, ce qui permettra à terme aux chercheurs d’explorer les questions les plus fondamentales de l’univers, comme l’évolution de la matière après le Big Bang.
« En tant que physicienne, il est incroyablement enthousiasmant d’étudier les conditions de l’univers primordial dans une machine de calcul à l’échelle atomique », a déclaré Zohreh Davoudi, professeure associée de physique à l’UMD, qui faisait partie de l’équipe de recherche. « Même les plus infimes aperçus tirés d’un modèle de physique hors équilibre nous guideront à l’avenir. »
Ces travaux ont été soutenus 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.
Article : String-breaking dynamics in a quantum simulator – Journal : Nature Physics – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude / Arinjoy De, Alessio Lerose, De Luo, Federica M. Surace, Alexander Schuckert, Elizabeth R. Bennewitz, Brayden Ware, William Morong, Kate S. Collins, Zohreh Davoudi, Alexey V. Gorshkov, Or Katz, and Christopher Monroe.
Source : Duke U
