Un ordinateur quantique simule la conversion d’énergie en matière lors de collisions de particules

Une équipe de physiciens a utilisé un processeur quantique numérique pour simuler la conversion d'énergie cinétique en nouvelles particules lors d'une collision, l'un des processus les plus fondamentaux de la nature, marquant une étape importante dans la convergence de l'informatique quantique et de la physique des hautes énergies.

La recherche, publiée dans Nature Physics le 11 septembre, a été menée par Roland C. Farrell et John Preskill du California Institute of Technology, ainsi que par Nikita A. Zemlevskiy et Marc Illa de l'Université de Washington. Exécutée sur 104 qubits du processeur ibm_marrakesh d'International Business Machines Corporation ↗ 3.96% avec jusqu'à 5 589 portes à deux qubits, l'expérience représente l'une des simulations quantiques de dynamique de diffusion les plus approfondies rapportées à ce jour.bioengineer+2

Comment l'énergie est devenue matière sur une puce

L'équipe a simulé des collisions au sein de la théorie du champ d'Ising unidimensionnelle, un modèle simplifié mais physiquement riche de particules en interaction. Deux paquets d'ondes quantiques, encodant chacun la particule la plus légère de la théorie, ont été projetés l'un contre l'autre sur le réseau. Après la collision, les chercheurs ont mesuré l'asymétrie de la densité d'énergie résultante, une quantité qui distingue la diffusion élastique, où les particules rebondissent simplement les unes sur les autres, des événements inélastiques où de la nouvelle matière est créée.scienmag+1

Leurs mesures ont révélé un état final contenant une particule légère et une particule lourde, une configuration possible uniquement si l'énergie cinétique de la collision avait été convertie en masse de particule supplémentaire. À faible énergie de collision, la dynamique est restée élastique; à des énergies plus élevées, le canal inélastique s'est ouvert et le signal d'asymétrie caractéristique est apparu clairement.bioengineer+2

Une boîte à outils évolutive pour la physique des particules

Au cœur de cette avancée se trouve un nouvel algorithme pour préparer des états de diffusion réalistes sur du matériel quantique. Les méthodes précédentes nécessitaient des profondeurs de circuit qui augmentaient avec la taille du paquet d'ondes, devenant rapidement impraticables sur des appareils bruyants. La nouvelle approche utilise des états W, des états intriqués multipartites, combinés à des mesures en milieu de circuit et des opérations de pré-alimentation. Cela rend la profondeur du circuit de préparation indépendante du volume spatial du paquet d'ondes, une propriété que les auteurs décrivent comme une amélioration superexponentielle par rapport aux techniques antérieures.bioengineer+1

Les chercheurs ont démontré la polyvalence de leur méthode en construisant des circuits pour plusieurs autres théories, notamment le modèle de Schwinger de l'électrodynamique quantique et la théorie du champ d'Ising bidimensionnelle. L'objectif ultime de cette ligne de recherche est la chromodynamique quantique, la théorie régissant les quarks et les gluons, où les processus inélastiques comme la production de hadrons sont essentiels à la physique des collisionneurs.bioengineer

Limites et perspectives

La théorie simulée reste unidimensionnelle et l'expérience reposait sur l'atténuation des erreurs plutôt que sur une correction complète des erreurs quantiques. Étendre l'approche à des théories de dimension supérieure et atteindre une précision comparable aux données expérimentales des collisionneurs sont des défis à venir. Néanmoins, la démonstration qu'un processeur quantique bruyant peut observer la transformation de l'énergie en matière dans une théorie quantique des champs suggère que de futures machines plus puissantes pourraient s'attaquer à des problèmes de diffusion en temps réel qui restent insolubles pour les ordinateurs classiques.nature+2