Des physiciens du Département de physique de l’Université d’Oxford ont utilisé un ordinateur quantique hybride, formé de qubits et d’oscillateurs quantiques, pour observer l’effet Aharonov-Bohm dans une simulation quantique. Cet effet est un phénomène quantique dans lequel une particule peut acquérir une phase mesurable en contournant un flux magnétique, même si elle ne traverse jamais une région où un champ magnétique est présent.
Ce résultat démontre comment les systèmes quantiques hybrides peuvent être utilisés pour simuler des interactions entre la matière et les champs de jauge qui deviennent de plus en plus difficiles à modéliser sur des ordinateurs classiques.
En physique classique, celle de la vie quotidienne, le mouvement d’une particule chargée est déterminé localement par les champs électrique et magnétique qu’elle rencontre. La mécanique quantique autorise un effet plus subtil. En 1959, les physiciens Yakir Aharonov et David Bohm ont prédit qu’une particule chargée contournant, plutôt que traversant, une région contenant un champ magnétique conserverait néanmoins une trace mesurable de la présence de ce champ. Ce phénomène est devenu connu sous le nom d’effet Aharonov–Bohm, et il a par la suite été confirmé dans des expériences avec de véritables électrons.
Les physiciens s’intéressent aujourd’hui à voir cet effet apparaître dans un contexte différent : les théories de jauge sur réseau. Il s’agit de cadres mathématiques servant à décrire les interactions entre la matière et les champs de jauge, dont des modèles importants de la physique des particules et des hautes énergies. Dans une théorie de jauge sur réseau, la matière se situe aux points d’une grille, et les champs résident sur les liens reliant ces points.
La difficulté tient à ce qu’à mesure que ces systèmes grandissent, leur comportement devient de plus en plus difficile à calculer sur un ordinateur classique. Les ordinateurs quantiques, qui fonctionnent selon les mêmes règles quantiques que celles décrites par les théories, offrent une autre approche : plutôt que de résoudre l’intégralité de la dynamique sur un ordinateur classique, les chercheurs construisent un système physique qui se comporte de la même manière et observent ce qu’il fait. C’est ce qu’on appelle la simulation quantique.
À partir de 2022, l’auteur principal Dr Sebastian Saner, Dr Oana Bazavan et leurs collègues d’Oxford, en collaboration avec Dr Alejandro Bermudez de l’Instituto de Física Teórica de Madrid, ont développé une expérience visant à simuler des théories de jauge sur réseau à l’aide d’un système quantique hybride. Leur expérience utilisait un système quantique hybride composé de deux types de composants, jouant chacun un rôle physique différent.
Les qubits – des bits quantiques encodés dans les états internes d’ions piégés – représentaient les champs de jauge, tandis que les oscillateurs quantiques – les vibrations de ces mêmes ions – représentaient la matière. Grâce à cet encodage, l’équipe a construit une boucle, brique élémentaire de la théorie, à partir de deux oscillateurs représentant la matière en deux points, reliés par deux qubits représentant les champs entre eux.
L’équipe a ensuite préparé les deux qubits dans un état quantique intriqué, dans lequel leurs propriétés sont liées d’une manière qui n’a pas d’équivalent classique. Dans le langage de la théorie de jauge sur réseau, cela correspond à un flux magnétique traversant la boucle. Produire un tel flux de manière conventionnelle, en tant que fond fixe, aurait nécessité une interaction que le matériel ne pouvait pas fournir ; c’est pourquoi son encodage dans les qubits a d’abord constitué un contournement pratique.
« Pour nous, l’étape passionnante a été d’encoder le flux magnétique dans un champ de jauge qui était lui-même dynamique », explique le Dr Saner. « Plutôt que de faire évoluer la matière dans un fond fixe, la matière et le champ de jauge font partie d’une même dynamique quantique. » Ce qui avait commencé comme un contournement s’est révélé être la voie la plus intéressante.
Les chercheurs ont ensuite observé une particule de matière effectuer un effet tunnel autour de la boucle. En l’absence de flux, elle traversait librement par effet tunnel. En présence du flux, les deux chemins autour de la boucle interféraient de manière destructive, supprimant complètement l’effet tunnel et laissant le système figé dans son état initial. Le résultat a été la démonstration expérimentale de l’effet Aharonov–Bohm dans un cadre dynamique au sein d’une théorie de jauge sur réseau.
L’article paraît aux côtés de travaux connexes d’un groupe de l’Université du Maryland dirigé par le professeur Norbert Linke, qui a utilisé un système quantique hybride pour simuler le potentiel de Yukawa, une interaction importante en physique nucléaire et des particules. Les deux groupes ont développé leurs approches indépendamment avant de coordonner leurs soumissions à Nature Physics. Ensemble, les deux études mettent en évidence le potentiel des architectures quantiques hybrides pour simuler des interactions fondamentales difficiles à traiter de manière classique.
L’article « Aharonov–Bohm interference in a ℤ₂ lattice gauge theory on a hybrid qubit–oscillator quantum computer », de S Saner et al, a été publié dans Nature Physics, le 25 septembre 2026.
Source : Oxford U.
