Une équipe de chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a utilisé un ordinateur quantique pour simuler avec succès un aspect des collisions de particules qui est généralement négligé dans les expériences de physique des hautes énergies, comme celles qui se produisent au Grand collisionneur de hadrons du CERN.

L'algorithme quantique qu'ils ont développé rend compte de la complexité des douches de partons, qui sont des salves compliquées de particules produites dans les collisions qui impliquent des processus de production et de désintégration de particules.

Algorithmes classiques généralement utilisés pour modéliser les douches de partons, tels que les algorithmes populaires de Markov Chain Monte Carlo, négliger plusieurs effets quantiques, les chercheurs notent dans une étude publiée en ligne le 10 février dans le journal Lettres d'examen physique qui détaille leur algorithme quantique.

"Nous avons essentiellement montré que vous pouvez mettre une douche de partons sur un ordinateur quantique avec des ressources efficaces, " a déclaré Christian Bauer, qui est le chef du groupe de théorie et est chercheur principal pour les efforts d'informatique quantique dans la division de physique du Berkeley Lab, "Et nous avons montré qu'il existe certains effets quantiques difficiles à décrire sur un ordinateur classique que vous pourriez décrire sur un ordinateur quantique." Bauer a dirigé la récente étude.

Leur approche maille l'informatique quantique et classique :elle n'utilise la solution quantique que pour la partie des collisions de particules qui ne peuvent pas être traitées avec l'informatique classique, et utilise l'informatique classique pour traiter tous les autres aspects des collisions de particules.

Les chercheurs ont construit un soi-disant « modèle de jouet, " une théorie simplifiée qui peut être exécutée sur un ordinateur quantique réel tout en contenant suffisamment de complexité pour l'empêcher d'être simulée à l'aide de méthodes classiques.

"Ce que fait un algorithme quantique, c'est de calculer tous les résultats possibles en même temps, puis en choisit un, " a déclaré Bauer. " Au fur et à mesure que les données deviennent de plus en plus précises, nos prédictions théoriques doivent devenir de plus en plus précises. Et à un moment donné, ces effets quantiques deviennent suffisamment importants pour qu'ils comptent réellement, " et doivent être pris en compte.

En construisant leur algorithme quantique, les chercheurs ont pris en compte les différents processus de particules et les résultats qui peuvent se produire dans une douche de partons, tenir compte de l'état des particules, historique des émissions de particules, si des émissions se sont produites, et le nombre de particules produites dans la douche, comprenant des comptages séparés pour les bosons et pour deux types de fermions.

L'ordinateur quantique " a calculé ces histoires en même temps, et a résumé toutes les histoires possibles à chaque étape intermédiaire, " a noté Bauer.

L'équipe de recherche a utilisé la puce IBM Q Johannesburg, un ordinateur quantique avec 20 qubits. Chaque qubit, ou bit quantique, est capable de représenter un zéro, une, et un état dit de superposition dans lequel il représente à la fois un zéro et un un simultanément. Cette superposition est ce qui rend les qubits particulièrement puissants par rapport aux bits de calcul standard, qui peut représenter un zéro ou un.

Les chercheurs ont construit un circuit informatique quantique en quatre étapes utilisant cinq qubits, et l'algorithme nécessite 48 opérations. Les chercheurs ont noté que le bruit dans l'ordinateur quantique est probablement à l'origine des différences de résultats avec le simulateur quantique.

Alors que les efforts pionniers de l'équipe pour appliquer l'informatique quantique à une partie simplifiée des données des collisionneurs de particules sont prometteurs, Bauer a déclaré qu'il ne s'attendait pas à ce que les ordinateurs quantiques aient un impact important sur le domaine de la physique des hautes énergies avant plusieurs années, du moins jusqu'à ce que le matériel s'améliore.

Les ordinateurs quantiques auront besoin de plus de qubits et de beaucoup moins de bruit pour avoir une véritable percée, dit Bauer. "Cela dépend beaucoup de la rapidité avec laquelle les machines s'améliorent." Mais il a noté qu'il y a un effort énorme et croissant pour que cela se produise, et il est important de commencer à réfléchir à ces algorithmes quantiques dès maintenant pour être prêt pour les prochaines avancées matérielles.

De tels sauts quantiques dans la technologie sont l'un des principaux objectifs d'un centre de R&D quantique collaboratif soutenu par le ministère de l'Énergie et dont fait partie Berkeley Lab, appelé l'accélérateur de systèmes quantiques.

Au fur et à mesure que le matériel s'améliore, il sera possible de prendre en compte davantage de types de bosons et de fermions dans l'algorithme quantique, ce qui améliorera sa précision.

De tels algorithmes devraient à terme avoir un large impact dans le domaine de la physique des hautes énergies, il a dit, et pourrait également trouver une application dans des expériences de collisionneur d'ions lourds.