Des physiciens ont utilisé un simulateur quantique à ions piégés pour étudier la dynamique de la rupture de cordes, un phénomène qui peut se produire dans des environnements de très haute énergie, notamment dans l’Univers primordial. Une plateforme quantique à ions piégés a été utilisée pour simuler une dynamique analogue à celle de la rupture de cordes, en contrôlant et en programmant avec précision les mécanismes à l’échelle atomique et subatomique.
La rupture, ou brisure, de cordes décrit le phénomène par lequel le tube de flux de l’interaction forte reliant deux particules s’étire jusqu’à ce que l’énergie accumulée permette la création de nouvelles paires de particules. Ces cordes sont comparables à des fils tendus à l’extrême reliant deux particules entre elles, et plus elles sont éloignées, plus l’énergie stockée au niveau des cordes augmente.
L’énergie accumulée dans la corde peut devenir suffisamment élevée pour créer de nouvelles particules et, lorsqu’elle se brise, il s’en forme de nouvelles paires plutôt que de laisser seulement les particules initiales séparées. Autrement dit, la brisure de cordes peut entraîner la création de nouvelles paires de particules à partir du vide. Cela est possible car la masse et l’énergie sont liées selon la célèbre équation d’Einstein E=mc².
Le phénomène concerne le plus souvent les quarks et les antiquarks, qui figurent parmi les constituants fondamentaux de la matière et se trouvent à l’intérieur d’autres particules comme les protons et les neutrons. Comme ils sont près d’un milliard de fois plus petits qu’un atome et restent généralement très fortement liés entre eux, ils ne sont actuellement pas observés isolément.
Des phénomènes de brisure de cordes sont susceptibles d’avoir joué un rôle dans les conditions extrêmes de l’Univers primordial. Le refroidissement de l’Univers a notamment conduit à la transition du plasma de quarks et de gluons vers un état dans lequel les quarks se retrouvent confinés au sein des hadrons. Ce type de processus ne se produit ainsi que dans les conditions extrêmes de l’Univers primitif.
Dans une étude publiée le 23 septembre dans la revue Nature Physics, une équipe de physiciens a simulé ce phénomène à l’aide d’une plateforme quantique à ions piégés.
« Les simulations informatiques quantiques constituent la meilleure plateforme pour étudier des questions complexes comme la formation de la matière, à défaut d’avoir assisté au Big Bang lui-même », explique Christopher Monroe dans un communiqué, professeur éminent de génie électrique et informatique et de physique à l’université Duke, titulaire de la chaire Gilhuly Family, qui a dirigé les travaux.
« Ces résultats marquent une avancée significative dans le domaine de la physique quantique et nous ouvrent de nouvelles perspectives pour comprendre la dynamique de la brisure des cordes », a-t-il ajouté.
Treize ions pour sonder la rupture des cordes
Pour effectuer leur simulation, Monroe et ses collègues ont intégré un modèle de brisure de cordes dans une chaîne de 13 ions piégés. Les systèmes quantiques offrent ici un haut degré de contrôle, permettant aux chercheurs de programmer les interactions entre les ions. Des faisceaux laser contrôlés avec précision ont été utilisés pour ajuster les interactions entre les ions.
Les interactions entre les ions permettent de contrôler l’énergie du système de sorte à simuler l’étirement et la brisure éventuelle d’un flux d’énergie semblable à une corde. Les chercheurs ont modélisé un système dans un état hors d’équilibre afin de suivre son évolution au fil du temps. Cette approche leur a permis d’observer l’apparition de charges effectives et de reconstituer la dynamique associée au processus simulé de rupture de corde.
Pour étayer leurs résultats, les chercheurs ont comparé la simulation avec une autre effectuée avec un ordinateur classique. Ces simulations à échelle relativement réduite sont encore possibles pour les ordinateurs classiques et les résultats des calculs correspondaient à ceux du simulateur quantique.
Toutefois, à mesure que les expériences deviendront plus complexes et augmenteront en échelle, l’augmentation de la taille des problèmes devrait rendre ces calculs hors de portée des ordinateurs classiques, tandis que les ordinateurs quantiques pourraient permettre de les traiter, selon les chercheurs.
Les chercheurs envisagent d’augmenter la taille et la complexité de ces simulations afin d’étudier des problèmes qui deviennent difficiles à traiter avec des ordinateurs classiques, telles que la manière dont la matière s’est comportée et a évolué dans les premiers instants après le Big Bang.
« En simulant le confinement des quarks et les phénomènes de brisure de cordes dans un environnement de laboratoire contrôlé, nous ouvrons de nouvelles perspectives pour l’étude expérimentale du comportement de la matière à son niveau le plus fondamental », conclut Arinjoy De, auteur principal de l’étude, ancien doctorant au sein du laboratoire de Monroe et aujourd’hui responsable de la production de machines chez QuEra Computing.
