Au cours du siècle dernier, les scientifiques ont développé des descriptions mathématiques de la façon dont ces particules et paquets d'énergie interagissent et ont utilisé leur compréhension de la « mécanique quantique » pour concevoir une gamme de technologies étonnantes, depuis les ordinateurs et les téléphones portables jusqu'aux télescopes et aux vaisseaux spatiaux.

De nouvelles applications, telles que de puissants ordinateurs quantiques et des réseaux de communications quantiques, pointent à l’horizon. Mais avant même que ces applications ne se généralisent, les scientifiques développent un code quantique pour effectuer des calculs quantiques et l'utilisent pour suivre des systèmes quantiques complexes.

Dans un exemple récent, des théoriciens et des informaticiens du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l'énergie (DOE) et de l'Université de Stony Brook (SBU) ont effectué une série de simulations quantiques pour explorer l'une des caractéristiques les plus étranges du domaine quantique :l'intrication. L'étude ramène le quantum à ses racines en cherchant à expliquer le comportement des particules subatomiques.

"L'idée essentielle derrière l'intrication est que deux objets quantiques, par exemple deux particules, peuvent être corrélés ou conscients l'un de l'autre, même s'ils sont séparés par de très grandes distances", a expliqué Dmitri Kharzeev, théoricien du Brookhaven Lab/SBU, qui a dirigé l'étude. recherche. Einstein appelait cela « une action effrayante à distance ». Mais d'innombrables expériences ont montré que l'effet effrayant est réel.

Pour aller plus loin, Kharzeev et ses collègues ont voulu voir si l’intrication persistait dans les jets de particules secondaires – des cascades de particules produites par la fragmentation de particules supposées intriquées émises par des collisions de particules à haute énergie. Ils ont développé des simulations pour rechercher des corrélations entre les particules d'un jet et celles d'un jet produit consécutivement par le même événement initial.

Leurs simulations, décrites dans une publication dans Physical Review Letters , a révélé un fort enchevêtrement persistant, au moins sur de courtes distances.

Les résultats fournissent une base pour tester ces prédictions dans des expériences de physique nucléaire au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du laboratoire de Brookhaven, au grand collisionneur de hadrons (LHC) du laboratoire européen du CERN et au futur collisionneur d'électrons-ions (EIC), désormais disponible. en phase de conception à Brookhaven. De plus, la méthode, qui utilisait du code quantique exécuté sur un superordinateur classique, offre des informations sur les moyens de moderniser et d'exploiter les actifs informatiques existants pour exécuter des calculs quantiques en attendant l'arrivée d'ordinateurs quantiques plus pratiques.

Détection de l'enchevêtrement secondaire

"Si vous produisez un quark et un antiquark dos à dos lors d'une collision à haute énergie, vous vous attendez à ce que ces deux particules soient intriquées car elles ont été produites lors de la même interaction", a déclaré Adrien Florio, co-auteur de l'étude et chercheur Goldhaber travaillant avec Kharzeev. au département de physique du Brookhaven Lab. "Mais détecter cette intrication n'est pas facile car nous ne pouvons pas observer les quarks directement. Les quarks et les antiquarks doivent toujours être "confinés" - appariés ou triplés pour former des particules composites appelées hadrons."

L’énigme du confinement signifie que, dès que le quark et l’antiquark sortent de la collision, ils commencent immédiatement à céder leur énergie au vide environnant. Cette énergie génère de nouvelles paires quark-antiquark :une cascade, ou un jet, de hadrons liés pour chaque particule initiale.

Les modèles traditionnels de production de jets donnent des descriptions probabilistes des particules qui composent les jets en trois dimensions. Rechercher des corrélations biunivoques entre une particule particulière dans un jet et une particule dans l'autre serait extrêmement difficile.

"Avant l'informatique quantique, nous ne savions même pas comment résoudre ce problème", a déclaré Florio.

Mais en simulant les particules à l'aide de qubits, les unités fondamentales de l'informatique quantique, les scientifiques ont pu vérifier si les qubits représentant des points individuels dans l'espace et dans le temps étaient intriqués. De plus, ils ont utilisé un cadre théorique plus simple qui réduisait la complexité des jets à seulement deux dimensions :une dimension spatiale plus le temps.

"Comme le quark et l'antiquark sont produits à de très hautes énergies, ils se déplacent comme des balles dans le vide quantique le long d'une ligne droite", a expliqué Florio. "Nous recherchons simplement des corrélations entre les qubits qui représentent les particules le long de cette trajectoire rectiligne au fil du temps."

Entropie d'intrication

Les calculs ont été conçus en collaboration avec Kwang Min Yu de la Computational Science Initiative (CSI) du Brookhaven Lab pour montrer si « l'entropie d'intrication » d'un hadron à un point particulier de la trajectoire d'un jet était corrélée à l'entropie d'intrication d'un hadron au point correspondant. point dans le jet opposé.

"L'entropie est une mesure d'incertitude", a expliqué Kharzeev. "Quand vous avez beaucoup de chaos et d'incertitude dans votre vie, votre vie a une grande quantité d'entropie." Les états quantiques purs, en revanche, ont une entropie d’intrication nulle. "Dans de tels États, tout est sous contrôle. Vous savez exactement dans quel état vous vous trouvez, donc il n'y a aucune incertitude", a-t-il déclaré.

Mais si deux états quantiques purs – particules ou qubits – sont intriqués, « si vous faites quelque chose dans l’un, alors quelque chose va se produire dans l’autre », a-t-il expliqué. "Cela signifie que si j'en mesure un seul, je ne possède pas d'informations complètes à son sujet car une partie de son état est contrôlée par un autre état quantique auquel je n'ai pas accès. Il y aura une certaine incertitude sur ses propriétés et son comportement." La valeur d'entropie ne sera pas nulle.

"C'est comme si vous entreteniez une relation étroite avec quelqu'un, et tout ce que fait cette personne vous affecte et vice versa. Cela signifie donc que vous n'avez pas le contrôle total de ce qui se passe. C'est la même chose au niveau quantique", Kharzeev a dit.

Pour détecter ces intrications, les scientifiques ont recherché des corrélations entre des qubits représentant des particules situées à différentes distances du point de collision. Kharzeev a comparé ces calculs au fait de lancer des dés et de mesurer la probabilité que lancer un certain nombre sur l'un produise le même nombre sur l'autre.

"Avec les particules, vous déterminez si une particule produite en un point de l'espace correspond à une particule produite au même point de l'espace, du côté opposé de la collision. Si elles correspondent une fois, cela pourrait être une coïncidence. Mais si vous lancez le « Dés » un million de fois en étudiant des millions d'événements, et ils vous montrent toujours des résultats identiques, alors vous savez que ces particules sont corrélées ou intriquées", a-t-il déclaré.

Les scientifiques ont découvert que les corrélations quantiques entre hadrons simulés existent et sont assez fortes. "Mais dans nos simulations, nous constatons que les corrélations disparaissent si la séparation entre les particules secondaires est importante", a-t-il déclaré.

Les résultats fournissent une base pour tester si l'intrication persiste et disparaît avec l'augmentation de la distance dans les expériences au RHIC, au LHC et au futur EIC.

Exploiter les actifs informatiques

Même si les scientifiques ont écrit leurs simulations à l'aide d'un code quantique, ils ont exécuté les calculs sur un superordinateur classique du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) du Laboratoire national Lawrence Berkeley du DOE.

"Pour l'instant, vous pouvez obtenir des résultats très significatifs pour un petit nombre de qubits, en simulant leur comportement sur un ordinateur classique", a expliqué Yu de CSI.

Kharzeev et Yu travaillent avec des collaborateurs de NVIDIA, la société qui a initialement développé les unités de traitement graphique (GPU) utilisées dans les superordinateurs les plus puissants d'aujourd'hui, pour rendre les ordinateurs classiques encore plus adaptés à l'exécution de simulations quantiques.

"Vous pouvez réorganiser les portes quantiques pour les optimiser pour effectuer des simulations quantiques", a expliqué Yu.

Mais même ces ordinateurs classiques optimisés finiront par atteindre leur maximum lorsque le nombre de qubits nécessaires aux simulations augmentera, comme c'est le cas pour suivre l'évolution des jets sur des périodes plus longues et sur de plus grandes distances, par exemple.

De nombreux efforts sont en cours pour améliorer les performances des ordinateurs quantiques, notamment pour améliorer l’atténuation des erreurs. Kharzeev participe à ces travaux dans le cadre du Co-design Center for Quantum Advantage (C ² QA), un centre de recherche national sur la science de l'information quantique (QIS) dirigé par Brookhaven Lab.

"De nombreuses personnes travaillent pour résoudre les défis liés à la construction d'ordinateurs quantiques", a déclaré Kharzeev. "Je suis convaincu que, dans un avenir proche, nous serons en mesure d'exécuter une grande variété de simulations quantiques plus complexes sur ces machines de nouvelle génération, en utilisant les connaissances que nous avons déjà acquises sur les interactions quantiques pour explorer davantage le comportement de les particules quantiques qui composent notre monde."