Des chercheurs du Duke Quantum Center (DQC) ont utilisé un simulateur quantique pour observer la dynamique de rupture de corde liée à la formation de particules et d'antiparticules, marquant l'une des premières démonstrations de ce type en physique quantique. Le travail, publié le 23 septembre dans Nature Physics, suggère que les ordinateurs quantiques à ions piégés pourraient éventuellement servir d'outils puissants pour sonder les questions les plus profondes de la physique fondamentale. L'expérience a simulé la rupture de corde : deux blocs constitutifs de matière connectés sont écartés jusqu'à ce que suffisamment d'énergie s'accumule pour que de nouvelles particules « jaillissent de l'existence » lorsque la connexion 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 été témoin du Big Bang lui-même », a déclaré Christopher Monroe, professeur distingué présidentiel de la famille Gilhuly en génie électrique et informatique et en physique à Duke, qui a dirigé la recherche. « Ces résultats signalent un développement marqué dans le domaine de la science quantique et ouvrent de nouvelles voies pour comprendre la dynamique de rupture de corde. »

L'étude était une collaboration internationale incluant des chercheurs de l'Université du Maryland (UMD), de l'Université d'Oxford, du California Institute of Technology, de l'Université Cornell 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 matériels informatiques quantiques.

Les quarks sont parmi les blocs constitutifs les plus fondamentaux connus de la matière. Ils vivent 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 des quarks isolés car les quarks restent normalement étroitement liés ensemble. Imaginez deux minuscules particules chargées connectées par une corde tendue : plus elles sont écartées, plus l'énergie est stockée dans la connexion. Finalement, suffisamment d'énergie peut s'accumuler pour créer des particules chargées supplémentaires - car la masse et l'énergie sont liées par la célèbre équation E=mc2 d'Einstein. Plutôt que de se terminer par une paire séparée, la connexion originale se rompt et de nouvelles paires de particules se forment. De tels processus nécessitent une énergie énorme et ne se produisent normalement que dans des conditions extrêmes, comme celles à l'intérieur du Grand Collisionneur de Hadrons ou celles que l'on croit avoir existé peu après le Big Bang.

Dans la nouvelle expérience, l'équipe dirigée par Duke a reproduit un comportement analogue de rupture de corde en utilisant une plateforme quantique à ions piégés. Les simulateurs quantiques sont particulièrement utiles ici car les chercheurs peuvent les contrôler et les programmer avec précision pour imiter des processus aux échelles atomique et subatomique.

« Travailler à l'intersection de la simulation quantique et de la physique des hautes énergies est incroyablement excitant », a déclaré Arinjoy De, premier auteur de l'article, ancien doctorant dans le laboratoire de Monroe et maintenant responsable de la machine 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 investigations 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 ajustaient la façon 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 particule. Les chercheurs ont préparé le système dans un état hors équilibre et ont suivi son évolution dans le temps, détectant l'apparition de charges effectives et reconstruisant la dynamique associée à la rupture de corde simulée. Pour vérifier les résultats, l'équipe a également modélisé le même processus sur un ordinateur classique, et les calculs classiques concordaient avec les résultats expérimentaux du simulateur quantique.

Pour des simulations à cette échelle relativement petite, les ordinateurs classiques peuvent encore faire les calculs. Les chercheurs s'attendent à ce que, à mesure que les expériences futures deviennent plus grandes et plus complexes, les simulateurs quantiques deviennent indispensables.