En physique nucléaire, comme beaucoup de science, les théories détaillées seules ne suffisent pas toujours pour débloquer des prédictions solides. Il y a souvent trop de pièces, interagir de manière complexe, pour les chercheurs de suivre la logique d'une théorie jusqu'à son terme. C'est l'une des raisons pour lesquelles il y a encore tant de mystères dans la nature, y compris comment les blocs de construction de base de l'univers fusionnent et forment des étoiles et des galaxies. Il en est de même dans les expériences à haute énergie, dans lequel des particules comme des protons se brisent à des vitesses incroyables pour créer des conditions extrêmes similaires à celles juste après le Big Bang.

Heureusement, les scientifiques peuvent souvent utiliser des simulations pour percer les subtilités. Une simulation représente les aspects importants d'un système, comme un avion, le flux de circulation d'une ville ou d'un atome - dans le cadre d'un autre, système plus accessible (comme un programme informatique ou un modèle réduit). Les chercheurs ont utilisé leur créativité pour rendre les simulations moins chères, plus rapides ou plus faciles à travailler que les formidables sujets qu'ils étudient, comme les collisions de protons ou les trous noirs.

Les simulations vont au-delà d'une question de commodité; ils sont essentiels pour traiter des cas à la fois trop difficiles à observer directement dans les expériences et trop complexes pour que les scientifiques puissent tirer toutes les conclusions logiques des principes de base. Diverses avancées de la recherche, de la modélisation des interactions complexes des molécules à l'origine de la vie à la prédiction des signatures expérimentales qui ont finalement permis l'identification du boson de Higgs, ont résulté de l'utilisation ingénieuse de simulations.

Mais les simulations conventionnelles ne vous mènent pas loin. Dans de nombreux cas, une simulation nécessite tellement de calculs que les meilleurs ordinateurs jamais construits ne peuvent pas faire de progrès significatifs, même si vous êtes prêt à attendre toute votre vie.

Maintenant, les simulateurs quantiques (qui exploitent les effets quantiques comme la superposition et l'intrication) promettent d'apporter leur puissance sur de nombreux problèmes qui ont refusé de céder aux simulations construites sur des ordinateurs classiques, y compris des problèmes de physique nucléaire. Mais pour exécuter n'importe quelle simulation, quantique ou autre, les scientifiques doivent d'abord déterminer comment représenter fidèlement leur système d'intérêt dans leur simulateur. Ils doivent créer une carte entre les deux.

La physicienne nucléaire computationnelle Zohreh Davoudi, professeur assistant de physique à l'Université du Maryland (UMD), collabore avec des chercheurs de JQI pour explorer comment les simulations quantiques pourraient aider les physiciens nucléaires. Ils travaillent à créer certaines des premières cartes entre les théories qui décrivent les fondements de la physique nucléaire et les premiers simulateurs quantiques et ordinateurs quantiques assemblés dans les laboratoires.

"Il semble que nous soyons sur le point d'entrer dans la prochaine phase de l'informatique qui tire parti de la mécanique quantique, " dit Davoudi. " Et si les scientifiques nucléaires n'entrent pas dans ce domaine maintenant, si nous ne commençons pas à déplacer nos problèmes dans un tel matériel quantique, nous ne pourrons peut-être pas rattraper le retard plus tard car l'informatique quantique évolue très rapidement."

Davoudi et plusieurs collègues, y compris les boursiers JQI Chris Monroe et Mohammad Hafezi, ont conçu leur approche de la création de cartes dans un souci de compatibilité avec les technologies quantiques à l'horizon. Dans un nouvel article publié le 8 avril, 2020 dans la revue Physical Review Research, ils décrivent leur nouvelle méthode et comment elle crée de nouvelles opportunités de simulation pour les chercheurs à explorer.

"On ne sait pas encore exactement où les ordinateurs quantiques seront utilement appliqués, " dit Monroe, qui est également professeur de physique à l'UMD et co-fondateur de la startup d'informatique quantique IonQ. "Une stratégie consiste à les déployer sur des problèmes basés sur la physique quantique. Il existe de nombreuses approches en structure électronique et en physique nucléaire qui sont si éprouvantes pour les ordinateurs normaux que les ordinateurs quantiques peuvent être une voie à suivre."

Modèles et contrôle

Comme première cible, l'équipe a jeté son dévolu sur les théories de jauge sur réseau. Les théories de jauge décrivent une grande variété de physique, y compris la danse complexe des quarks et des gluons, les particules fondamentales de la physique nucléaire. Les versions en treillis des théories de jauge simplifient les calculs en limitant toutes les particules et leurs interactions à une grille ordonnée, comme des pièces sur un échiquier.

Même avec cette simplification, les ordinateurs modernes peuvent encore s'étouffer lorsqu'ils simulent des amas denses de matière ou lorsqu'ils suivent l'évolution de la matière au fil du temps. L'équipe pense que les ordinateurs quantiques pourraient surmonter ces limitations et éventuellement simuler des types de théories de jauge plus difficiles, telles que la chromodynamique quantique, qui décrit les interactions fortes qui lient les quarks et les gluons en protons et neutrons et les maintiennent ensemble en tant que noyaux atomiques.

Davoudi et ses collègues ont choisi les ions atomiques piégés - la spécialité de Monroe - comme système physique pour effectuer leur simulation. Dans ces systèmes, ions, qui sont des atomes chargés électriquement, flotter, chacun piégé par un champ électrique ou magnétique environnant. Les scientifiques peuvent concevoir ces champs pour organiser les ions selon divers modèles qui peuvent être utilisés pour stocker et transférer des informations. Pour cette proposition, l'équipe s'est concentrée sur les ions organisés en ligne droite.

Les chercheurs utilisent des lasers pour contrôler chaque ion et ses interactions avec ses voisins, une capacité essentielle lors de la création d'une simulation utile. Les ions sont bien plus accessibles que les particules plus petites qui intriguent Davoudi. Les physiciens nucléaires ne peuvent que rêver d'atteindre le même niveau de contrôle sur les interactions au cœur des atomes.

« Prenez un problème à l'échelle du femtomètre et étendez-le à l'échelle du micron, ce qui augmente considérablement notre niveau de contrôle, " dit Hafezi, qui est également professeur agrégé au Département de génie électrique et informatique et au Département de physique de l'UMD. "Imaginez que vous étiez censé disséquer une fourmi. Maintenant, la fourmi est étirée à la distance entre Boston et Los Angeles."

Lors de la conception de leur méthode de cartographie, l'équipe a examiné ce qui peut être fait avec des lasers standard. Ils ont réalisé que la technologie actuelle permet aux trappeurs d'ions d'installer des lasers dans un nouveau manière efficace qui permet le contrôle simultané de trois interactions de spin différentes pour chaque ion.

"Les systèmes à ions piégés sont livrés avec une boîte à outils pour simuler ces problèmes, " dit Hafezi. " Leur caractéristique étonnante est que parfois vous pouvez revenir en arrière et concevoir plus d'outils et les ajouter à la boîte. "

Avec cette opportunité en tête, les chercheurs ont développé une procédure pour produire des cartes avec deux caractéristiques souhaitables. D'abord, les cartes maximisent la fidélité avec laquelle la simulation de piège à ions correspond à une théorie de jauge de réseau souhaitée. Seconde, ils minimisent les erreurs qui se produisent pendant la simulation.

Dans le journal, les chercheurs décrivent comment cette approche pourrait permettre à une chaîne d'ions unidimensionnelle de simuler quelques théories de jauge de réseau simples, non seulement dans une dimension mais aussi dans des dimensions supérieures. Avec cette approche, le comportement des spins ioniques peut être adapté et mappé à une variété de phénomènes qui peuvent être décrits par les théories de jauge sur réseau, comme la génération de matière et d'antimatière à partir du vide.

"En tant que théoricien du nucléaire, Je suis ravi de continuer à travailler avec des théoriciens et des expérimentateurs ayant une expertise en atomique, moléculaire, et la physique optique et dans la technologie des pièges à ions pour résoudre des problèmes plus complexes, " dit Davoudi. " J'ai expliqué l'unicité de mon problème et de mon système, et ils ont expliqué les caractéristiques et les capacités de leur système, puis nous avons réfléchi à des idées sur la façon dont nous pouvons faire cette cartographie."

Monroe souligne que "c'est exactement ce qui est nécessaire pour l'avenir de l'informatique quantique. Cette 'co-conception' d'appareils adaptés à des applications spécifiques est ce qui rend le domaine frais et passionnant."

Analogique vs numérique

Les simulations proposées par Davoudi et ses collègues sont des exemples de simulations analogiques, car ils représentent directement les éléments et les interactions d'un système avec ceux d'un autre système. Généralement, les simulateurs analogiques doivent être conçus pour un problème particulier ou un ensemble de problèmes. Cela les rend moins polyvalents que les simulateurs numériques, qui ont un ensemble établi de blocs de construction discrets qui peuvent être assemblés pour simuler presque tout avec suffisamment de temps et de ressources.

La polyvalence des simulations numériques a changé le monde, mais un système analogique bien conçu est souvent moins complexe que son homologue numérique. Des simulations analogiques quantiques soigneusement conçues peuvent fournir des résultats pour certains problèmes avant que les ordinateurs quantiques puissent effectuer des simulations numériques de manière fiable. Ceci est similaire à l'utilisation d'une soufflerie au lieu de programmer un ordinateur pour modéliser la façon dont le vent souffle tout, d'une oie à un avion de chasse expérimental.

L'équipe de Monroe, en collaboration avec le coauteur Guido Pagano, un ancien chercheur postdoctoral JQI qui est maintenant professeur adjoint à l'Université Rice, travaille à la mise en œuvre de la nouvelle approche analogique au cours des deux prochaines années. Le système terminé devrait être capable de simuler une variété de théories de jauge sur réseau.

Les auteurs disent que cette recherche n'est que le début d'un chemin plus long. Étant donné que les théories de jauge sur réseau sont décrites de manière mathématiquement similaire à d'autres systèmes quantiques, les chercheurs sont optimistes que leur proposition trouvera des utilisations au-delà de la physique nucléaire, comme en physique de la matière condensée et en science des matériaux. Davoudi travaille également au développement de propositions de simulation quantique numérique avec Monroe et Norbert Linke, un autre boursier JQI. Elle espère que les deux projets révéleront les avantages et les inconvénients de chaque approche et donneront un aperçu de la manière dont les chercheurs peuvent s'attaquer aux problèmes de physique nucléaire avec toute la puissance de l'informatique quantique.

"Nous voulons à terme simuler des théories de nature plus complexe et en particulier la chromodynamique quantique qui est responsable de la force forte dans la nature, ", dit Davoudi. "Mais cela pourrait nécessiter de penser encore plus en dehors des sentiers battus."