Une équipe de chercheurs dirigée par Christine Muschik, professeure associée à l’Institut Périmètre et professeure adjointe à l’Institut d'informatique quantique (IQC) de l’Université de Waterloo, vient d’effectuer la toute première simulation de baryons dans un ordinateur quantique.

Ce travail constitue une étape cruciale vers des simulations quantiques plus complexes qui permettront aux scientifiques d’étudier les étoiles à neutrons, d’en apprendre davantage sur le commencement de l’univers et de réaliser le potentiel révolutionnaire des ordinateurs quantiques.

« Il s’agit d’un progrès important, la toute première simulation de baryons dans un ordinateur quantique, a déclaré M^me Muschik. Au lieu de provoquer des collisions de particules dans un accélérateur, nous pourrons peut-être simuler dans un ordinateur quantique ces interactions, afin d’étudier les origines de l’univers et bien d’autres phénomènes. » [traduction]

M^me Muschik dirige le groupe d'étude des interactions quantiques à l’IQC, de même que l’initiative conjointe QFun (Quantum Simulations of Fundamental Interactions – Simulations quantiques d'interactions fondamentales) de l’IQC et de l’Institut Périmètre.

Une grande partie de son travail porte sur la simulation quantique de théories de jauge en treillis. Ces théories visent à décrire la physique de la réalité, y compris le modèle standard de la physique des particules. Plus une théorie de jauge englobe de champs, de forces, de particules, de dimensions spatiales et d’autres paramètres, plus elle est complexe — et plus il est difficile de la modéliser à l’aide d’un superordinateur classique.

Les théories de jauge non abéliennes sont des candidates particulièrement intéressantes à des simulations, parce qu’elles sont responsables de la stabilité de la matière telle que nous la connaissons. Les ordinateurs classiques peuvent simuler la matière non abélienne décrite dans ces théories, mais il y a des situations importantes — comme celles où la matière est très dense — qui sont inaccessibles à ces ordinateurs. Et alors que la capacité de décrire et de simuler la matière non abélienne est fondamentale pour décrire notre univers, une telle simulation n’a jamais été faite dans un ordinateur quantique.

Travaillant avec Randy Lewis, de l’Université York, l’équipe de Mme Muschik a élaboré un algorithme quantique économe en ressources qui a permis de simuler un système dans une théorie de jauge non abélienne simple, en utilisant l’ordinateur quantique d’IBM accessible par infonuagique, couplé à un ordinateur classique.

Avec cette étape emblématique, les chercheurs ouvrent la voie vers la simulation quantique de théories de jauge qui vont bien au-delà des capacités et des ressources des superordinateurs même les plus puissants au monde.

« Ce qui est enthousiasmant pour nous dans ces résultats, c’est la possibilité d’aborder des théories beaucoup plus complexes », a déclaré Jinglei Zhang, postdoctorante à l’IQC ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo. « Nous pouvons envisager de simuler de la matière plus dense, ce qui dépasse les capacités des ordinateurs classiques. » [traduction]

Avec la mise au point d’ordinateurs et algorithmes quantiques plus puissants, les scientifiques seront capables de simuler la physique de ces théories de jauge non abéliennes plus complexes et d’étudier des phénomènes fascinants hors de portée pour les meilleurs superordinateurs classiques.

Cette percée constitue une étape importante vers une nouvelle ère de compréhension de l’univers fondée sur la simulation quantique.

L’article intitulé SU(2) hadrons on a quantum computer via a variational approach (Hadrons SU(2) simulés dans un ordinateur quantique à l’aide d’une méthode variationnelle) a été publié le 11 novembre 2021 dans Nature Communications. Ces recherches ont été financées en partie par l’Institut canadien de recherches avancées, de même que par le Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada (FERAC), par l’intermédiaire du groupe Technologies quantiques transformatrices.