Simuler en laboratoire ce qui se passe dans les accélérateurs de particules est un objectif ambitieux dans l'étude des forces fondamentales de la nature poursuivie par les physiciens des hautes énergies depuis de nombreuses années. Maintenant, grâce aux recherches menées par les groupes de physique statistique de SISSA—Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati et le Centre international "Abdus Salam" de physique théorique (ICTP), cet objectif est plus proche à atteindre.

"Nous avons eu affaire à une théorie de jauge, plus précisément le modèle de Schwinger, qui décrit mathématiquement l'interaction entre des particules chargées microscopiques, comme les électrons et les positons, et un champ électrique dans une dimension spatiale, " a déclaré Federica Surace, doctorat étudiant à SISSA et auteur principal de la recherche, récemment publié sur Examen physique X . "Nous avons montré que cette théorie peut être simulée dans une expérience avec des atomes ultrafroids mieux que ce que les calculatrices ont fait à ce jour. Cette expérience a été menée dans le laboratoire du professeur Lukin à l'Université Harvard."

Enquêter sur les forces fondamentales de la nature

L'étude, auquel Ph.D. étudiants Paolo P. Mazza, Giuliano Giudici, Alessio Lerose, et leurs superviseurs Andrea Gambassi de SISSA et Marcello Dalmonte de ICTP ont également contribué, montre que l'expérience menée outre-mer peut être interprétée comme un "simulateur quantique" d'une théorie de jauge, une connexion importante car elle confirme le potentiel de ce dernier à enquêter sur les mystères associés aux forces fondamentales de la nature.

« Les théories qui décrivent les interactions fondamentales, appelées théories de jauge, sont à l'origine de notre compréhension actuelle de la physique de l'univers, et comprendre leur dynamique est l'une des questions sans réponse les plus importantes en physique théorique, " ajoute Alessio Lerose, co-auteur de la publication. "En déduire le comportement de la matière dans des conditions extrêmes, comme dans les collisions à haute énergie entre noyaux atomiques lourds, à l'intérieur des étoiles et de l'univers primordial après le Big-Bang, est un défi très complexe qui a mis à rude épreuve les méthodes théoriques et informatiques à la disposition des physiciens."

Les théories de jauge permettent, par exemple, comprendre ce qui se passe dans des expériences comme celles menées au CERN à Genève. "Ces phénomènes sont très complexes", ajoute Federica Surace. "En raison de leur nature quantique, il est très difficile de faire des prévisions fiables, même avec les ordinateurs les plus modernes et les plus puissants."

Simulateurs quantiques

L'une des méthodes imaginées pour réaliser ce type d'investigation est précisément celle des simulateurs quantiques, constitué de composants, typiquement des atomes refroidis à des températures proches du zéro absolu qui sont contrôlées par des champs laser et magnétiques, dont le comportement est régi par des équations mathématiques similaires à celles des systèmes que les scientifiques veulent étudier, mais qui sont beaucoup plus faciles à créer.

« Ces outils, " poursuit Surace, "permettre d'étudier les théories de jauge en utilisant des équipements expérimentaux de la taille d'une pièce au lieu d'un accélérateur long de plusieurs dizaines de kilomètres. La recherche dans ce domaine ne fait que commencer et cet objectif est encore loin et pourtant les premiers résultats sont encourageants ".

Ceci est démontré par les travaux des physiciens de SISSA et de l'ICTP, et il a déjà fourni une preuve importante du potentiel des simulateurs quantiques déjà disponibles en laboratoire pour étudier les théories qui sous-tendent notre compréhension de l'Univers.

« Nous avons démontré que le modèle mis en œuvre par le simulateur quantique créé à Harvard n'est autre qu'une des théories de jauge les plus simples mais qui, dans tous les cas, prévoit des phénomènes hautement non triviaux, comme la décroissance du vide et le confinement des particules élémentaires, " explique Alessio Lerose, soulignant l'importance de ce résultat pour créer un simulateur utilisable pour tous les systèmes quantiques. "Maintenant, il n'y a pas de "simulateur universel", à savoir un dispositif quantique qui peut être programmé pour simuler tout autre système quantique, mais en créer un est un objectif clé de la recherche dans ce domaine de la physique. Il existe maintenant des simulateurs quantiques possédant un excellent niveau de contrôle permettant la simulation de systèmes moins complexes. En réalité, nous savons maintenant qu'avec quelques efforts supplémentaires, il est également possible de simuler des théories quantiques plus complexes, comme le modèle de Schwinger qui a été le protagoniste de notre étude".