Les physiciens ont utilisé un ordinateur quantique de pointe pour simuler une théorie complexe des particules en deux dimensions.
Contrairement aux systèmes binaires traditionnels, cette machine utilise des qudits, des unités qui gèrent plus de valeurs, pour représenter naturellement les champs quantiques. Cette avancée marque une étape majeure vers la résolution de certaines des plus grandes questions de physique.
Simulation quantique révolutionnaire dans plusieurs dimensions
Leest la principale théorie qui explique les particules et les forces fondamentales qui composent notre univers. Il décrit les particules et leurs opposés, commeet les positons, en tant que champs quantiques, qui interagissent via des champs porteurs de force tels que le champ électromagnétique qui maintient ensemble les particules chargées.
Pour mieux comprendre le comportement de ces champs quantiques – et par extension, le fonctionnement de l’univers – les scientifiques s’appuient sur des simulations informatiques complexes basées sur la théorie quantique des champs. Cependant, ces simulations sont souvent trop exigeantes, même pour les supercalculateurs les plus puissants, et restent également extrêmement difficiles pour les ordinateurs quantiques. En conséquence, de nombreuses questions clés en physique restent encore sans réponse.
Aujourd’hui, les chercheurs ont fait un grand pas en avant. Grâce à un nouveau type d'ordinateur quantique, une équipe expérimentale dirigée par Martin Ringbauer au, avec un groupe théorique dirigé par Christine Muschik de l'Institut d'informatique quantique (IQC) de l'Université, ont simulé avec succès une théorie quantique complète des champs dans plus d'une dimension spatiale, comme indiqué aujourd'hui (25 mars) dansPhysique naturelle.
Pourquoi les champs quantiques sont difficiles à simuler
Le point crucial qui rend les simulations des théories quantiques des champs difficiles pour les ordinateurs quantiques vient de la nécessité de capturer les champs qui représentent les forces entre les particules, telles que la force électromagnétique entre les particules chargées. Ces champs peuvent pointer dans différentes directions et avoir différents degrés de force ou d’excitation. De tels objets ne s’intègrent pas parfaitement dans le paradigme informatique binaire traditionnel basé sur des zéros et des uns, qui constitue la base des ordinateurs classiques et quantiques d’aujourd’hui.
L'étude des particules et des forces élémentaires est d'une importance centrale pour notre compréhension de l'univers. Aujourd'hui, une équipe de physiciens de l'Université d'Innsbruck et de l'Institut d'informatique quantique (IQC) de l'Université de Waterloo montre comment un type non conventionnel d'ordinateur quantique ouvre une nouvelle porte sur le monde des particules élémentaires. Crédit : Kindea Labs
Informatique basée sur Qudit : une meilleure adéquation
Cette nouvelle avancée a été possible grâce à la combinaison d'unordinateur quantique développé à Innsbruck et un algorithme qudit pour simuler les interactions fondamentales des particules développé à Waterloo. Cette approche repose sur l’utilisation de jusqu’à cinq valeurs par support d’informations quantiques, plutôt que de seulement zéro et un, pour stocker et traiter efficacement les informations. Un tel ordinateur quantique est parfaitement adapté au défi consistant à représenter des champs quantiques complexes dans les calculs de physique des particules.
"Notre approche permet une représentation naturelle des champs quantiques, ce qui rend les calculs beaucoup plus efficaces", explique Michael Meth, auteur principal de l'étude. Cela a permis à l’équipe d’observer les caractéristiques fondamentales de l’électrodynamique quantique dans deux dimensions spatiales.
Expansion vers des dimensions et des champs magnétiques plus élevés
En 2016 déjà, la création de paires particule-antiparticule avait été démontrée à Innsbruck. "Dans cette démonstration, nous avons simplifié le problème en limitant le déplacement des particules sur une ligne. La suppression de cette restriction est une étape essentielle pour utiliser les ordinateurs quantiques afin de comprendre les interactions fondamentales des particules", explique Christine Muschik.
Les équipes ont présenté la première simulation quantique dans deux dimensions spatiales : « En plus du comportement des particules, nous observons désormais également des champs magnétiques entre elles, qui ne peuvent exister que si les particules ne sont pas limitées à se déplacer sur une ligne et nous rapprochent ainsi de l'étude de la nature », explique Martin Ringbauer.
Vers la résolution des mystères les plus profonds de l'univers
Les nouveaux travaux sur l’électrodynamique quantique ne sont qu’un début. Avec seulement quelques questions supplémentaires, il sera possible d’étendre les résultats actuels non seulement aux modèles tridimensionnels, mais également à la force nucléaire puissante, qui maintient les atomes ensemble et renferme de nombreux mystères restants de la physique. "Nous sommes enthousiasmés par le potentiel des ordinateurs quantiques à contribuer à l'étude de ces questions fascinantes", déclare Ringbauer avec enthousiasme.
Référence : « Simulation des théories de jauge de treillis bidimensionnel sur un ordinateur quantique qudit » par Michael Meth, Jinglei Zhang, Jan F. Haase, Claire Edmunds, Lukas Postler, Andrew J. Jena, Alex Steiner, Luca Dellantonio, Rainer Blatt, Peter Zoller, Thomas Monz, Philipp Schindler, Christine Muschik et Martin Ringbauer, 25 mars 2025,Physique naturelle.
DOI : 10.1038/s41567-025-02797-w
La recherche a été soutenue financièrement, entre autres, par le Fonds scientifique autrichien (FWF), le ministère fédéral autrichien de l'Éducation, des Sciences et de la Recherche, l'Agence autrichienne de promotion de la recherche (FFG), l'Union européenne et le Fonds d'excellence en recherche Canada First.
Ne manquez jamais une percée :
Suivez-nous suretGoogle Actualités.
Les physiciens ont utilisé un ordinateur quantique de pointe pour simuler une théorie complexe des particules en deux dimensions.
Contrairement aux systèmes binaires traditionnels, cette machine utilise des qudits, des unités qui gèrent plus de valeurs, pour représenter naturellement les champs quantiques. Cette avancée marque une étape majeure vers la résolution de certaines des plus grandes questions de physique.
Simulation quantique révolutionnaire dans plusieurs dimensions
Leest la principale théorie qui explique les particules et les forces fondamentales qui composent notre univers. Il décrit les particules et leurs opposés, commeet les positons, en tant que champs quantiques, qui interagissent via des champs porteurs de force tels que le champ électromagnétique qui maintient ensemble les particules chargées.
Pour mieux comprendre le comportement de ces champs quantiques – et par extension, le fonctionnement de l’univers – les scientifiques s’appuient sur des simulations informatiques complexes basées sur la théorie quantique des champs. Cependant, ces simulations sont souvent trop exigeantes, même pour les supercalculateurs les plus puissants, et restent également extrêmement difficiles pour les ordinateurs quantiques. En conséquence, de nombreuses questions clés en physique restent encore sans réponse.
Aujourd’hui, les chercheurs ont fait un grand pas en avant. Grâce à un nouveau type d'ordinateur quantique, une équipe expérimentale dirigée par Martin Ringbauer au, avec un groupe théorique dirigé par Christine Muschik de l'Institut d'informatique quantique (IQC) de l'Université, ont simulé avec succès une théorie quantique complète des champs dans plus d'une dimension spatiale, comme indiqué aujourd'hui (25 mars) dansPhysique naturelle.
Pourquoi les champs quantiques sont difficiles à simuler
Le point crucial qui rend les simulations des théories quantiques des champs difficiles pour les ordinateurs quantiques vient de la nécessité de capturer les champs qui représentent les forces entre les particules, telles que la force électromagnétique entre les particules chargées. Ces champs peuvent pointer dans différentes directions et avoir différents degrés de force ou d’excitation. De tels objets ne s’intègrent pas parfaitement dans le paradigme informatique binaire traditionnel basé sur des zéros et des uns, qui constitue la base des ordinateurs classiques et quantiques d’aujourd’hui.
L'étude des particules et des forces élémentaires est d'une importance centrale pour notre compréhension de l'univers. Aujourd'hui, une équipe de physiciens de l'Université d'Innsbruck et de l'Institut d'informatique quantique (IQC) de l'Université de Waterloo montre comment un type non conventionnel d'ordinateur quantique ouvre une nouvelle porte sur le monde des particules élémentaires. Crédit : Kindea Labs
Informatique basée sur Qudit : une meilleure adéquation
Cette nouvelle avancée a été possible grâce à la combinaison d'unordinateur quantique développé à Innsbruck et un algorithme qudit pour simuler les interactions fondamentales des particules développé à Waterloo. Cette approche repose sur l’utilisation de jusqu’à cinq valeurs par support d’informations quantiques, plutôt que de seulement zéro et un, pour stocker et traiter efficacement les informations. Un tel ordinateur quantique est parfaitement adapté au défi consistant à représenter des champs quantiques complexes dans les calculs de physique des particules.
"Notre approche permet une représentation naturelle des champs quantiques, ce qui rend les calculs beaucoup plus efficaces", explique Michael Meth, auteur principal de l'étude. Cela a permis à l’équipe d’observer les caractéristiques fondamentales de l’électrodynamique quantique dans deux dimensions spatiales.
Expansion vers des dimensions et des champs magnétiques plus élevés
En 2016 déjà, la création de paires particule-antiparticule avait été démontrée à Innsbruck. "Dans cette démonstration, nous avons simplifié le problème en limitant le déplacement des particules sur une ligne. La suppression de cette restriction est une étape essentielle pour utiliser les ordinateurs quantiques afin de comprendre les interactions fondamentales des particules", explique Christine Muschik.
Les équipes ont présenté la première simulation quantique dans deux dimensions spatiales : « En plus du comportement des particules, nous observons désormais également des champs magnétiques entre elles, qui ne peuvent exister que si les particules ne sont pas limitées à se déplacer sur une ligne et nous rapprochent ainsi de l'étude de la nature », explique Martin Ringbauer.
Vers la résolution des mystères les plus profonds de l'univers
Les nouveaux travaux sur l’électrodynamique quantique ne sont qu’un début. Avec seulement quelques questions supplémentaires, il sera possible d’étendre les résultats actuels non seulement aux modèles tridimensionnels, mais également à la force nucléaire puissante, qui maintient les atomes ensemble et renferme de nombreux mystères restants de la physique. "Nous sommes enthousiasmés par le potentiel des ordinateurs quantiques à contribuer à l'étude de ces questions fascinantes", déclare Ringbauer avec enthousiasme.
Référence : « Simulation des théories de jauge de treillis bidimensionnel sur un ordinateur quantique qudit » par Michael Meth, Jinglei Zhang, Jan F. Haase, Claire Edmunds, Lukas Postler, Andrew J. Jena, Alex Steiner, Luca Dellantonio, Rainer Blatt, Peter Zoller, Thomas Monz, Philipp Schindler, Christine Muschik et Martin Ringbauer, 25 mars 2025,Physique naturelle.
DOI : 10.1038/s41567-025-02797-w
La recherche a été soutenue financièrement, entre autres, par le Fonds scientifique autrichien (FWF), le ministère fédéral autrichien de l'Éducation, des Sciences et de la Recherche, l'Agence autrichienne de promotion de la recherche (FFG), l'Union européenne et le Fonds d'excellence en recherche Canada First.
Ne manquez jamais une percée :
Suivez-nous suretGoogle Actualités.
