Première simulation quantique d’un problème de physique des particules

En 1982, le physicien américain Richard Feynman soulignait la difficulté d’étudier la nature : « La nature n’est pas classique, mince, et si vous voulez simuler la nature, il faudra bien utiliser la mécanique quantique, et je vous assure que c’est un problème merveilleux, car il a l’air loin d’être simple. » Le génial visionnaire suggérait ainsi d’utiliser des systèmes quantiques, plus simples et contrôlables, pour en étudier d'autres. Depuis cette époque, les simulateurs quantiques ont connu de nombreux progrès mais pour la première fois, une équipe de physiciens de l’université d’Innsbrück, en Autriche, a utilisé un « ordinateur quantique » composé de seulement quatre ions de calcium pour simuler un processus intervenant dans la physique des particules de haute énergie, à savoir la création de paires particule-antiparticule.

De nombreux projets de simulateurs quantiques ont été réalisés dans des dispositifs de physique de la matière condensée. Mais le cas de la physique des particules de haute énergie, décrite par le modèle standard élaboré dans les années 1960-1970, présente une difficulté supplémentaire. Ce modèle est fondé sur des théories dites de jauge, qui imposent de fortes contraintes sur la réalisation d’un simulateur quantique.

La réalisation de ces simulateurs est un défi, mais ils pourraient être très utiles pour étudier le modèle standard. Ces dernières décennies, celui-ci a été testé avec succès, notamment avec la découverte de particules prévues par la théorie, comme le boson de Higgs, dont l’existence a été confirmée en 2012 grâce au LHC. Cependant, de nombreux aspects de la théorie restent à explorer. Or certains calculs sont trop complexes pour être menés sur des ordinateurs classiques et les expériences au LHC ne peuvent pas répondre à toutes les questions.

Mais pourquoi certains calculs sont-ils complexes dans le modèle standard ? Au cœur de ce dernier se trouvent des « théories de jauges ». L'électrodynamique quantique (QED), la plus simple, décrit l’électromagnétisme dans un cadre quantique, tandis que la chromodynamique quantique (QCD) décrit l’interaction forte, qui lie entre eux les quarks, constituant les protons et les neutrons, via des particules médiatrices, les gluons. La structure mathématique de la chromodynamique quantique est beaucoup plus riche que celle de l’électrodynamique quantique et les calculs s’en trouvent d’autant plus complexes. Certains problèmes de QCD sont encore sans réponse, notamment la notion de confinement, qui veut qu’un quark ne peut pas être isolé (ils vont toujours par trois, comme dans le proton ou le neutron, par paire quark-antiquark dans les mésons, voire par combinaisons plus complexes comme le pentaquark).

Une piste utilisée pour contourner ces difficultés de calcul est la QCD sur réseau, proposée en 1974 par le physicien Kenneth Wilson. Cette approche consiste à discrétiser l’espace-temps selon un réseau 4D dont la maille a une longueur élémentaire donnée. On peut alors exprimer la QCD dans un formalisme issu de la physique statistique, et les calculs deviennent possibles sur un ordinateur. Par des méthodes éprouvées, on fait ensuite tendre la longueur de la maille vers zéro pour retrouver le cas physique d'un espace-temps continu. Si la méthode a eu de nombreux succès, certains calculs restent difficiles à effectuer avec un ordinateur classique.

L’idée de simulateur quantique de Feynman pourrait donc être ici d’une grande aide. Mais elle est difficile à mettre en œuvre. De nombreux progrès ont certes été réalisés dans le domaine des ordinateurs quantique, mais les physiciens ne savent pas encore maîtriser des systèmes quantiques comportant un grand nombre d’atomes. Malgré ces difficultés, de nombreux chercheurs fondent beaucoup d’espoir sur les ordinateurs quantiques. Comme l’information y est encodée dans des bits quantiques ou qubits, qui peuvent prendre une multitude d’états et non seulement les deux états (0 ou 1) des bits d’un ordinateur classique, ces ordinateurs quantiques effectueront certains calculs bien plus vite qu’un ordinateur classique.

Néanmoins, l’expérience acquise dans ce domaine permet aujourd’hui de concevoir des ordinateurs quantiques avec un nombre réduit d’atomes (des atomes ultrafroids, des ions dans des pièges électromagnétiques, etc.). L’équipe de Rainer Blatt et Peter Zoller a conçu un tel dispositif avec quatre ions de calcium alignés dans un piège électromagnétique. Ils ont ainsi simulé une version simple de la QED, avec une seule dimension d’espace : le modèle de Schwinger, qui décrit l’apparition et la disparition de paires de particule-antiparticule dans un champ électrique externe. Chaque ion se comporte comme un bit quantique, ou qubit, entre deux états d’énergie (correspondant à la présence ou l’absence d’un électron en QED). Des lasers simulent le champ électromagnétique dans le vide. Les ions excités par les lasers émettent un rayonnement de fluorescence, qui est interprété comme la création d'une particule ou d'une antiparticule. En modifiant les paramètres des lasers, les chercheurs contrôle l'interaction entre les ions et ont ainsi pu étudier la dynamique du processus de création de paire dans le modèle de Schwinger. Les mesures ont ensuite été comparées, avec succès, aux prédictions théoriques. Le simulateur quantique reproduisait fidèlement le comportement attendu. La théorie simulée est relativement simple, mais cela a permis à Rainer Blatt, Peter Zoller et leurs collègues de montrer que leur simulateur quantique donne des résultats en accord avec la théorie.

Cette expérience ouvre de nombreuses perspectives pour de futurs projets. L’idée sera d’abord de produire des systèmes avec deux ou trois dimensions en QED pour voir des interactions plus complexes. Et ensuite simuler des modèles comme la QCD. De nombreux dispositifs ont déjà été proposés sur le papier. Avec les progrès techniques dans le domaine des atomes froids et des ions piégés, cette approche pourrait connaître un essor rapide. Par ailleurs, cette technique est réellement complémentaire des expériences menées dans les collisionneurs comme le LHC. En effet, dans son expérience, l’équipe d’Innsbrück a aussi étudié le phénomène d’intrication quantique qui lie les propriétés des deux particules d’une paire qui émerge du vide, un phénomène plus difficile à étudier dans les expériences du LHC.