En 1965, peu après être devenu lauréat du prix Nobel de physique avec Tomonaga et Schwinger, Richard Feynman est venu faire une conférence au Cern. Au début des années 1980, il a commencé à réfléchir sur les ordinateurs quantiques et leur usage pour simuler les phénomènes physiques, comme ceux que l'on étudie au LHC. © Cern

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La physique du LHC simulée sur ordinateur quantique

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En mariant les idées de deux célèbres prix Nobel de physique, Richard Feynman et Kenneth Wilson, un groupe de physiciens explore la simulation des phénomènes de la physique des particules à l'aide d'un calculateur quantique. Première victoire : la création virtuelle de paires de particule et d'antiparticule dans le cadre de l'électrodynamique quantique.

Un groupe de physiciens de l'université d'Innsbruck et de l'institut d'optique quantique et d'information quantique (IQOQI, pour Institute for Quantum Optics and Quantum Information) vient de publier dans le journal Nature un article qui aurait sans aucun doute retenu l'attention du prix Nobel de physique Richard Feynman. Comme les chercheurs l'expliquent dans l'article en libre accès sur arXiv, ils sont parvenus à utiliser un calculateur quantique à base d'ions piégés pour simuler l'électrodynamique quantique dans un univers en deux dimensions, une d'espace plus une de temps. Ils ont plus précisément réussi à simuler la création d'une paire d'électron et de positron à partir d'une fluctuation du vide quantique.

Cerise sur le gâteau, en plus de simuler un processus observable au LHC, les physiciens peuvent aussi analyser le comportement de ces particules qui dépend de leur intrication quantique, un phénomène qu'il est difficile d'étudier avec un accélérateur de particules. Bien sûr, rien ne remplace des données expérimentales directes mais pouvoir contrôler les paramètres d'une simulation ouvre la porte à la découverte de phénomènes qualitativement nouveaux, difficiles à surprendre et même à deviner.

Les idées de Richard Feynman sur la simulation des phénomènes physiques avec des ordinateurs et des simulateurs quantiques sont certainement le fruit de l'extraordinaire curiosité et créativité intellectuelles qu'avait ce génie de la physique. On peut en avoir une idée avec cette traduction d'une vidéo mise en ligne dans le cadre du projet "The Feynman Series", lié au projet "The Sagan Series" visant à promouvoir l'éducation scientifique pour le grand public. © Bergalion, YouTube

Les théories de jauge sur réseau avec un simulateur quantique

La performance réalisée par les physiciens regroupés en Autriche autour de Rainer Blatt et Peter Zoller s'inscrit en fait dans un cadre plus large, à l'intersection des idées que Richard Feynman a exposées en 1982 dans un article pionnier dans le domaine des ordinateurs quantiques (intitulé Simulating physics with computers) et celle d'un autre prix Nobel de physique, Kenneth Wilson.

Au cours des années 1970, l'essor du modèle standard s'est appuyé sur une classe de théories quantiques des champs, celle des théories de jauge. Elle fait souvent usage d'équations non-linéaires possédant des groupes de symétrie. Or, comme dans la relativité générale, qui est une classe particulière de théorie de jauge, la non-linéarité de ces équations les rend difficiles à résoudre dans beaucoup de situations physiques intéressantes. Le même problème existe en mécanique des fluides où les solutions trouvées ont consisté soit à étudier des écoulements de maquettes d'objets en soufflerie, soit à mobiliser des ordinateurs. Dans ce dernier cas, il faut discrétiser l'évolution des grandeurs physiques dans l'espace et le temps, comme si cette évolution se produisait sur un réseau cristallin. Kenneth Wilson a ainsi développé les « théories de jauge sur réseau ». Elles ont eu certains succès, comme de permettre le calcul ab initio, à partir des équations de la chromodynamique quantique (la QCD), de la masse du proton et de celle du neutron.

Feynman, de son côté, a exploré l'idée d'utiliser des systèmes eux-mêmes quantiques pour simuler d'autres systèmes quantiques et plus généralement réaliser des ordinateurs quantiques universels.

Dans cet article de Nature, les physiciens explorent le début d'une nouvelle approche qui à terme permettraient une simulation quantique sur réseau des équations du modèle standard, et pourquoi pas, peut-être dans un avenir plus lointain, de la gravitation quantique elle-même.

En l'occurrence, il n'est pour le moment possible que d'utiliser un petit nombre de qubits portés par des ions calcium (quatre pour être précis) et ce pour simuler un processus dépendant du temps dans la plus simple des théories de jauge du modèle standard, celle de l'électrodynamique quantique de Feynman, Tomonaga et Schwinger

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