Qu’est-ce qui fait la beauté de la physique? Nous avons posé la question à des chercheurs et chercheuses de haut niveau
Toute la physique repose sur la théorie quantique des champs, et les étudiants et étudiantes, avant de pouvoir maîtriser ce langage, doivent commencer par repérer les lacunes dans leur compréhension. C’est l’idée derrière un minicours non crédité offert par l’Institut sur les « beaux » articles en physique, enseigné par Pedro Vieira, professeur-chercheur et titulaire de la chaire Clay-Riddell-Paul-Dirac en physique théorique à l’Institut Périmètre. Le cours traite d’articles choisis, dont celui de Steven Weinberg paru en 1965 sur les photons infrarouges et les gravitons, ou celui de Pasquale Calabrese et John Cardy paru en 2004, qui présente leurs travaux sur l’entropie d’intrication, ayant tous pour thème commun le chemin sinueux menant aux découvertes et l’exploration. Le cours alterne entre des exposés magistraux traitant de neuf articles influents et des présentations par des étudiants sur la façon dont ces articles monumentaux ont influencé la physique.
Situé au sommet d'une montagne en Arizona, DESI cartographie l'univers. Crédit : Marilyn Sargent/Berkeley Lab
De plus en plus d’indices tendent à montrer que l’énergie sombre évolue dans le temps
Selon le modèle cosmologique standard, l’expansion de notre univers est portée par la version la plus simple possible de l’énergie sombre : une « constante cosmologique » immuable appelée lambda. Ce modèle bien établi pourrait bientôt être appelé à changer. Will Percival, professeur-chercheur associé à l’Institut Périmètre, est co-porte-parole du consortium DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument – Spectroscope de l’énergie sombre), qui a produit la plus grande carte tridimensionnelle de l’Univers jamais réalisée en observant des millions de galaxies et de quasars. Les plus récentes données de DESI semblent indiquer que l’énergie sombre pourrait en fait évoluer dans le temps.
DESI est un consortium international, regroupant plus de 900 chercheurs affiliés à plus de 70 institutions à travers le monde et chapeauté par le laboratoire national Lawrence-Berkeley du département américain de l’Énergie. Le spectroscope DESI mesure l’énergie sombre en retraçant l’évolution de la taille de formations semblables à des bulles appelées « oscillations acoustiques baryoniques », causées par les ondes acoustiques dans le plasma chaud de l’Univers primordial. On peut aujourd’hui observer l’empreinte de ces bulles primordiales sur la distribution à grande échelle des galaxies et de la matière dans l’Univers. [Lire l’article]
Lectures complémentaires : Spectroscope DESI : de nouveaux résultats penchent du côté de la gravité; Des signes indiquent que l’énergie sombre évoluerait dans le temps : une nouvelle qui emballe les cosmologistes
Le Very Large Telescope (VLT – très grand télescope) de l’Observatoire Européen Austral constitue l’instrument phare de l’astronomie européenne au sol. Crédit : ESO/G. Hüdepohl
Un nouveau (vieux) regard sur l’Univers
Une ancienne technique appliquée aux télescopes optiques, appelée « interférométrie d’intensité » – sur laquelle reposaient à l’origine les premiers radiotélescopes dans les années 1950 – se révèle prometteuse pour la recherche contemporaine. La technique, basée sur l’idée de coupler les données de deux ou plusieurs télescopes plus petits qui agissent comme un seul instrument plus grand – et d’une plus grande précision – a été utilisée avec un certain succès pour mesurer le diamètre de nombreuses étoiles, mais a finalement été abandonnée en raison de la lenteur des instruments.
Aujourd’hui, grâce à des technologies plus sophistiquées et plus rapides, les scientifiques entrevoient de nouvelles possibilités pour l’interférométrie d’intensité. Les anciens et actuels chercheurs de l’Institut Périmètre Neal Dalal, Marios Galanis, Junwu Huang et Masha Baryakhtar ont organisé une conférence en 2024 sur les technologies qui réhabiliteront cette technique. Dalal et Galanis ont cosigné un article sur la possibilité d’utiliser l’interférométrie d’intensité pour obtenir une meilleure qualité d’image des noyaux actifs de galaxie (NAG) : des trous noirs supermassifs émettant des jets lumineux et des vents puissants qui façonnent leur galaxie.
Référence :
N. Dalal (Perimeter Inst. Theor. Phys.), M. Galanis (Perimeter Inst. Theor. Phys.), C. Gammie (Illinois U., Urbana), S. E. Gralla (Arizona U.), N. Murray (Canadian Inst. Theor. Astrophys.), « Probing 𝐻0 and resolving AGN disks with ultrafast photon counters », Phys. Rev. D. (2024), DOI: 10.1103/PhysRevD.109.123029. [lien]
La Voie lactée, brillante, et des centaines d'étoiles s'étendent dans le ciel derrière la silhouette de l'observatoire Vera C. Rubin. Crédit : Bruno C. Quint.
En préparation d’un relevé sans précédent du ciel nocturne de l’hémisphère Sud
Perché au sommet d’El Peñón sur le Cerro Pachón, au nord du Chili, l’Observatoire Vera-C.-Rubin s’apprête à réaliser une première scientifique : observer l’intégralité du ciel nocturne de l’hémisphère Sud pendant dix années consécutives. L’acquisition de données du relevé LSST (Legacy Survey of Space and Time) devrait débuter en 2025. À l’aide de la plus grande caméra numérique au monde, l’observatoire capturera un accéléré en haute définition du ciel visible. Ana Ennis, qui effectue un postdoctorat conjointement à l’Institut Périmètre et au Centre d’astrophysique de l’Université de Waterloo, copréside le groupe de travail sur les amas d’étoiles dans le cadre des collaborations scientifiques sur le relevé LSST. En prévision de l’inauguration officielle du télescope, elle travaille avec une équipe internationale d’astronomes pour se préparer à l’avalanche de données à venir.
Le relevé LSST poursuivra deux objectifs en parallèle. D’abord, scruter aussi rapidement que possible une grande portion de l’hémisphère Sud afin de pouvoir repérer des objets célestes en mouvement ou des sursauts gamma. Si ce genre d’événement transitoire est détecté, une alerte sera envoyée à d’autres télescopes pour qu’ils puissent se concentrer sur ces phénomènes. Le deuxième objectif consiste à prendre des images très profondes du ciel. Pour ce faire, il faut un temps d’exposition assez long pour capter tous les photons émis par les étoiles et les galaxies lointaines.
Le « temps » est-il fondamental en mécanique quantique?
Peu importe comment on le mesure – que ce soit au son du tic-tac d’une horloge ou par le nombre de cheveux gris sur nos têtes – le temps avance inexorablement selon une trajectoire à sens unique : du passé vers le présent, puis vers le futur. Certains physiciens théoriciens pensent que le temps, à l’échelle quantique la plus fondamentale, ne serait pas « réel » en soi, tandis que d’autres pensent, au contraire, qu’il est à la base de tout ce qui existe. Et si le temps « émergeait » plutôt des interactions entre les particules quantiques? Luca Ciambelli (postdoctorant) et Laurent Freidel (professeur-chercheur) de l’Institut Périmètre, aux côtés de Robert Leigh de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, ont publié un article dans le Journal of High Energy Physics sur une solution possible au problème du temps en proposant un concept mathématique appelé « hypersurface nulle ». En travaillant avec cette hypersurface nulle, l’équipe avance l’hypothèse d’un temps quantique.
Référence :
L. Ciambelli (Perimeter Inst. Theor. Phys.), L. Freidel (Perimeter Inst. Theor. Phys.), R. G. Leigh (Illinois U., Urbana/Perimeter Inst. Theor. Phys.), « Quantum null geometry and gravity », J. High Energ. Phys. (2024), DOI: 10.1007/JHEP12(2024)028 [lien]
Un nouveau lien entre les codes correcteurs d’erreurs quantiques généralisés, la complexité et la physique
La fragilité des systèmes quantiques est l’un des principaux obstacles à l’adoption des ordinateurs quantiques. Leur fonctionnement repose en effet sur l’intrication de particules, mais celle-ci est facilement perturbée par le « bruit » que produisent les interactions avec le monde extérieur. C’est pourquoi les scientifiques consacrent leur énergie à concevoir des codes correcteurs visant à empêcher les ordinateurs quantiques de faire des erreurs. L’expert en information quantique Daniel Gottesman, titulaire d’une chaire de chercheur invité distingué à l’Institut Périmètre, où il a déjà été professeur-chercheur, a fait équipe avec d’anciens et actuels scientifiques de l’Institut, dont Zi-Wen Liu, Jinmin Yi et Weicheng Ye pour publier un article dans Nature Physics qui établit un nouveau cadre pour comprendre les codes correcteurs d’erreurs quantiques.
Les travaux de l’équipe s’articulent autour de la correction approximative des erreurs quantiques (CAEQ). L’article montre que, lorsqu’un code CAEQ comporte une erreur (une variance de sous-système) suffisamment petite, le code est soumis à une limite inférieure du temps minimal pour que tous les qubits se connectent ensemble, ce qui restreint la complexité du circuit. Cette découverte a permis aux chercheurs de caractériser fondamentalement, pour la première fois, les « composantes » d’un code CAEQ non trivial. Il s’agit d’un grand pas en avant pour la théorie de l’information quantique.
Référence :
J. Yi (Perimeter Inst. Theor. Phys./Waterloo U.), W. Ye (Perimeter Inst. Theor. Phys.), D. Gottesman (Maryland U., College Park), Z.-W. Liu (Perimeter Inst. Theor. Phys./Tsinghua U., Beijing), « Complexity and order in approximate quantum error-correcting codes », Nat Phys. (2024), DOI: 10.1038/s41567-024-02621-x. [lien]
Article de synthèse [lien]. « A general theory of quantum codes connecting quantum computation, complexity and physics », Nat. Phys. (2024), DOI: 10.1038/s41567-024-02622-w.
Au-delà des qubits
Christine Muschik, théoricienne quantique et professeure-chercheuse associée à l’Institut Périmètre, contribue à ouvrir la voie à une nouvelle ère de l’informatique quantique en explorant des systèmes à plusieurs niveaux connus sous le nom de qudits.
Les ordinateurs quantiques pourraient être beaucoup plus puissants que les ordinateurs classiques, grâce à deux phénomènes : la superposition et l’intrication. La superposition signifie qu’une particule peut se trouver dans deux états en même temps. L’intrication désigne la forte corrélation entre particules distantes. Christine Muschik, professeure-chercheuse associée à l’Institut Périmètre et professeure à l’Institut d’informatique quantique de l’Université de Waterloo, est l’une des deux premiers auteurs d’un article paru dans Nature Physics. Ses travaux visent à comprendre les interactions complexes entre les particules et les forces qui font partie intégrante de la physique des particules.
Un ordinateur classique est doté de portes logiques, sortes d’interrupteurs qui s’allument et s’éteignent, servant de composants de base pour créer les circuits numériques. Les ordinateurs quantiques, eux, fonctionnent avec des portes quantiques, soit des circuits quantiques constitués d’un petit nombre de qubits, un bit quantique étant une unité d’information de base en informatique quantique. Les qubits sont représentés comme des superpositions simultanées de zéros et de uns, ce qui leur permet d’emmagasiner beaucoup plus d’information. Cependant, Christine Muschik explore aussi les qudits, des systèmes à niveaux multiples pouvant exister dans plusieurs états, qui pourraient marquer l’aube d’une nouvelle ère de l’informatique quantique.
Référence :
M. Meth (Innsbruck U.), J. Zhang (Waterloo U.), J. F. Haase (Waterloo U./Ulm U.), C. Edmunds (Innsbruck U.), L. Postler (Innsbruck U.), A. J. Jena (Waterloo U.), A. Steiner (Innsbruck U.), L. Dellantonio (Waterloo U./Exeter U.), Rainer Blatt (Innsbruck U./Innsbruck U., Quant. Opt. and Info.), P. Zoller (Innsbruck U., Quant. Opt. and Info./Innsbruck U., Inst. Astrophys.), T. Monz (Innsbruck U.), P. Schindler (Innsbruck U.), C. Muschik (Waterloo U./Perimeter Inst. Theor. Phys.), M. Ringbauer (Innsbruck U.), « Simulating two-dimensional lattice gauge theories on a qudit quantum computer », Nat. Phys. (2025), DOI: 10.1038/s41567-025-02797-w. [lien]
« [L’informatique quantique fondée sur les qudits] est un domaine encore jeune. Mon équipe et moi avons l’impression d’en être les pionniers. »
—Christine Muschik, professeure-chercheuse associée
Marcela Carena, directrice générale de l'Institut Périmètre, siégera au sein d'un nouveau groupe d'experts chargé de conseiller le gouvernement canadien sur l'optimisation des infrastructures de recherche.
La directrice de l’Institut Périmètre, Marcela Carena, siégera au nouveau comité consultatif du CAC
Le Conseil des académies canadiennes (CAC) a mis sur pied un nouveau groupe d’experts chargé de conseiller le gouvernement fédéral du Canada sur les questions liées à l’amélioration des infrastructures de recherche. Marcela Carena, directrice générale de l’Institut Périmètre, siégera parmi les 12 experts du comité formé dans le cadre d’une évaluation commandée par le gouvernement du Canada et chapeautée par le Fonds stratégique des sciences. Le comité a été formé à la demande du ministère canadien de l’Innovation, des Sciences et du Développement économique.