Étude de la chromodynamique quantique (QCD) dans des environnements complexes et denses tels que l'intérieur des étoiles à neutrons ou le Big Bang

Un des endroits les plus sauvages et les plus extrêmes de l'univers pourrait se trouver à l'intérieur d'une étoile à neutrons.

Là-bas, les éléments les plus fondamentaux de la nature : les quarks qui s'assemblent pour former des particules telles que les protons et les neutrons, et les gluons, ainsi nommés parce qu'ils s'apparentent à la colle qui maintient les quarks ensemble dans le noyau des atomes, se comportent d'une manière que les scientifiques ont encore du mal à comprendre.

Il existe une théorie appelée chromodynamique quantique (QCD) qui décrit comment les différentes variétés ou « couleurs » de quarks et de gluons interagissent dans les noyaux. Trois physiciens américains, David J. Gross (Université de Californie, Santa Barbara), David Politzer (CalTech) et Frank Wilczek (MIT), ont reçu le prix Nobel en 2004 pour avoir développé ce joyau particulier de la physique moderne. 
 

Toutefois, le comportement des quarks et des gluons dans des conditions extrêmes, telles que celles qui prévalaient au commencement de l'univers ou à l'intérieur d'une étoile à neutrons, n'est pas bien appréhendé. D'après certaines théories, dans une étoile à neutrons, la pression et la densité seraient si extrêmes que le plasma quarkgluon qui en résulterait serait un liquide presque sans frottement. Cependant, nous ne le savons pas avec certitude. 

Ce qui manque aux scientifiques, c'est une représentation, un schéma, des transitions de phase qui se produisent dans ces conditions si extrêmes que les simulations informatiques classiques des modèles échouent. Même avec un ordinateur quantique, les défis liés à la modélisation d'environnements à si forte densité de particules sont considérables. 

« C'est l'un des domaines dans lesquels nos ordinateurs actuels font totalement défaut et qui nous motivent à utiliser des ordinateurs quantiques », explique Christine Muschik, membre du corps professoral de l'Institut d'informatique quantique (IQC) de l'Université de Waterloo et chercheuse associée au Perimeter Institute. 

Dernièrement, Muschik et son équipe de chercheurs postdoctoraux ont fait partie d'un groupe américain et canadien qui a mis au point un diagramme de phase unidimensionnel simple qui pourrait servir de point de départ à de futures études sur la chromodynamique quantique dans des environnements aussi extrêmes. Ils l'ont testé avec succès à l'aide d'un ordinateur quantique à ions piégés avec l'équipe américaine. 

L'équipe de Waterloo inclut Abhijit Chakraborty, chercheur postdoctoral à l'IQC, Yasar Atas, chercheur associé conjoint à l'IQC et au Perimeter Institute, et Jinglei Zhang, chercheur associé à l'IQC. Ils ont collaboré avec Norbert Linke de l'université du Maryland et de l'université Duke, Anton Than, Matthew Diaz, Xingxin Liu et Alaina Green, également du Joint Quantum Institute de l'université du Maryland, Kalea Wen du College of William & Mary à Williamsburg, en Virginie, et Randy Lewis de l'université York. 

Ensemble, ils ont publié un article dans Nature Communications, intitulé « Le diagramme de phase de la chromodynamique quantique en une dimension sur un ordinateur quantique ». 
 

Chakraborty, postdoctorant à l'Université de Waterloo et membre de l'équipe, explique qu'un « diagramme de phase » peut être considéré comme un diagramme qui représente les transitions de phase. Un exemple simple pourrait être la transition de l'eau à la glace ou de l'eau à la vapeur à différentes températures et pressions. Nous connaissons tous ces transitions de phase très courantes de l'H2O. Il est possible de tracer un diagramme avec la température sur un axe et la pression sur l'autre, et de représenter les transitions de l'eau à différentes températures et pressions. 

Les scientifiques souhaiteraient disposer d'un diagramme de phase similaire pour les transitions de phase du plasma de quarks et de gluons dans des environnements à très haute densité, tels que l'intérieur des étoiles à neutrons. 

Ceci est naturellement beaucoup plus complexe à réaliser, même à l'aide d'un ordinateur quantique. Pour y parvenir, il est nécessaire de disposer de nombreuses ressources physiques ou de nombreux bits quantiques (qubits). Plus le nombre de qubits est élevé, plus il est nécessaire de gérer le « bruit » provenant de l'environnement (ou décohérence) qui provoque des erreurs dans les calculs. De plus, le diagramme de phase obtenu doit respecter les mêmes lois de symétrie que la théorie de jauge originale (une théorie quantique des champs qui décrit les forces fondamentales), afin de garantir l'exactitude physique. 

Pour y parvenir, même pour un simple diagramme de phase unidimensionnel, l'équipe a dû rendre les calculs quantiques beaucoup plus efficaces. 

Ce projet a été réalisé en collaboration avec Norbert Linke et le groupement de recherche de l'université du Maryland afin de développer un nouveau type de registre ancillaire de mouvement dans un ordinateur quantique à ions piégés. Un registre auxiliaire dans un ordinateur quantique est un ensemble de qubits auxiliaires utilisés pour simplifier les opérations complexes, faciliter les calculs réversibles et aider à des tâches telles que la correction d'erreurs. Cela reviendrait à utiliser six qubits pour obtenir le même résultat que si l'on utilisait 12 qubits, le mouvement des ions agissant comme des qubits auxiliaires. 

Muschik déclare : « Nous avons trouvé un moyen de rendre tout cela plus efficace en utilisant ce nouveau registre. »  
 

Normalement, les scientifiques spécialisés dans l'informatique quantique utilisent les niveaux internes des ions piégés comme qubits. « Cependant, les ions piégés ont également un mouvement, nous avons donc utilisé ce mouvement, en plus des niveaux internes des ions piégés de manière habituelle », explique Muschik. 

Chakraborty a ajouté : « Nous avons réussi à contrôler ces degrés de liberté vibratoires et à effectuer un traitement quantique de l'information grâce à cela. Nous avons pu traiter davantage d'informations en utilisant un système physique de même taille. »

 D'après le résumé de l'article, il s'agit d'une première dans la simulation d'un diagramme de phase unidimensionnel de la QCD à densité et température finies dans le cadre des principales théories qui sous-tendent le modèle standard de la physique des particules. 

Cela signifie qu’une première étape importante a été franchie dans la création d'un modèle QCD d'un système qui possède une énergie cinétique et se trouve dans un état de mouvement thermique. 

Ce travail « jette les bases nécessaires à l'exploration des phénomènes QCD sur des plateformes quantiques », a déclaré le groupe dans son résumé.  

Muschik a déclaré que, bien qu'il s'agisse d'une petite simulation en une dimension, elle peut être utilisée pour construire des simulations plus importantes, en deux ou trois dimensions. « Il est nécessaire de la développer à plus grande échelle. » Chakraborty a ajouté qu'il s'agissait d'un « modèle simplifié », mais que, théoriquement, cela pourrait être appliqué à des dimensions supérieures. « Il ne s'agit pas encore d'une théorie pleinement développée, mais c'est un premier pas. » Muschik espère qu'un diagramme de phase complet de la QCD finira par « nous apprendre quelque chose sur la nature et sur les états de la matière qui étaient possibles dans l'univers primitif ». 

De plus, ces travaux contribuent à rendre l'informatique quantique plus efficace, ditelle. « Cela fait progresser tout le domaine de l'informatique quantique, maintenant que nous disposons de ce nouveau type de registre ancillaire que nous pouvons utiliser à notre avantage. »