simulation quantique

Un trou noir est un labyrinthe dont on ne peut pas sortir. Mais que devient l'information à l'intérieur ? Pour le vérifier, les physiciens ne sont pas allés jusqu'au trou le plus proche ; ils en ont construit une minuscule réplique sur un processeur quantique.

L'appareil éclaire l'échantillon avec un faisceau infrarouge, et les molécules répondent par leur motif d'absorption — comme des clochettes de tons différents. Ce motif, le spectre, contient des informations sur la composition chimique.

Un ordinateur quantique ressemble généralement à une chaîne de montage : les opérations se succèdent et chaque erreur s'accumule. Dans cette nouvelle étude, les physiciens ont testé une autre voie : une architecture où le calcul émerge du processus de mesure lui-même. Ils ont pris 56 ions dans un piège et les ont enchevêtrés en un nuage tridimensionnel de particules intriquées.

Un simulateur quantique à pièges à ions ressemble à un orchestre où chaque ion est un musicien et le bus de phonons (les oscillations collectives) est le chef d'orchestre qui transmet les signaux. Tant que tout le monde joue la même mélodie, tout se passe bien.

Les calculs informatiques du comportement des substances ont longtemps souffert de deux extrêmes : soit des modèles rapides mais imprécis, soit des calculs physiques précis mais lents.

Le transfert d'énergie dans la photosynthèse ressemble à un toboggan : il s'affaisse sous le poids d'un enfant, modifiant la trajectoire du suivant. De même dans une feuille : l'état excité d'une molécule redessine instantanément le « paysage » de ses voisines.

L'ordinateur quantique promet de résoudre des problèmes qu'un ordinateur ordinaire ne peut pas résoudre. Mais où se situe la frontière ? Les auteurs de ces travaux sont tombés sur un cas surprenant : des électrons appariés se comportent comme un orchestre discipliné.

Dans un piège à champs, des scientifiques ont assemblé un cristal de 150 ions à température extrêmement basse. Chaque ion se comporte comme un minuscule aimant capable de s'orienter dans toutes les directions.

À l'intérieur d'une étoile en explosion, les neutrinos filent si nombreux qu'ils commencent à s'influencer mutuellement. Leurs états quantiques s'entremêlent, comme des fils dans un écheveau serré où l'on ne distingue plus à qui appartient chaque brin.

Une balançoire à trois places ne se calme jamais : l'un des trois atomes est toujours en suspens. Tel est l'aimant frustré — une danse éternelle sans repos. Pour l'étudier, des physiciens ont construit un simulateur quantique de 256 atomes reproduisant exactement le cristal TmMgGaO₄.

Un faisceau laser maintient un ion unique dans le vide, et cet ion se comporte comme une bille enfermée entre deux creux. Les creux ne sont pas des trous dans le sol, mais des régions où il est énergétiquement favorable pour l'ion de se trouver. Dans le monde classique, la bille roulerait dans l'un des creux et y resterait.

Dans le monde minuscule, la lumière et la matière obéissent à des lois difficiles à calculer même avec un superordinateur. Les physiciens construisent des « simulateurs quantiques » spéciaux : des dispositifs où des atomes froids jouent le rôle de particules et de champs.

L'élastique est tendu — et soudain, il claque. Dans le monde des atomes, on observe un phénomène similaire : la corde qui lie les particules peut se rompre. Dans cette nouvelle étude, des physiciens ont pris une chaîne d'atomes de Rydberg et ont suivi comment une telle corde se brise.

Un ordinateur quantique à ions piégés a joué le rôle d'un minuscule univers. Dans cet univers, les particules ne se contentaient pas de se déplacer : elles s'entrelaçaient en nœuds qui changent de propriétés lorsqu'on les échange. Ces nœuds sont appelés anyons de Fibonacci – ce ne sont pas des particules ordinaires, mais plutôt des vortex dans le tissu de l'espace.

Les ultrasons dans un liquide, c'est un peu comme secouer rapidement une bouteille de soda : on secoue, et des bulles apparaissent. Sauf qu'en science, on appelle cela la cavitation, et les bulles ne flottent pas simplement : elles naissent, grossissent et éclatent avec une force considérable.

Une étoile à neutrons est une boule de la taille d'une ville, mais elle pèse autant qu'une fois et demie le Soleil. À l'intérieur d'une telle boule, la matière est si comprimée qu'une cuillère à café pèserait des milliards de tonnes. Mais de quoi est exactement faite cette matière, les physiciens ne le savent pas encore.

Six ions baryum s'alignent en un hexagone plat à l'intérieur d'un piège de Paul, un dispositif qui maintient des particules chargées grâce à des champs électriques variables.

Deux acteurs sur la même scène. L'un est un fermion, capricieux et exigeant, difficile à faire jouer selon les règles d'un simulateur quantique. L'autre est un boson, docile et peu exigeant, prêt à prendre n'importe quelle place. Le metteur en scène espère que le public ne remarquera pas la substitution.

En 2023, une équipe de chercheurs du Laboratoire national d'Oak Ridge a lancé sur le supercalculateur Theta la simulation d'un circuit quantique de 61 qubits. Pour stocker son vecteur d'état, il aurait fallu 32 exaoctets de mémoire, soit plus que la capacité totale de tous les disques durs de la planète.

En 1982, le physicien Richard Feynman a proposé une idée simple : pour comprendre un système quantique, il faut construire un autre système quantique qui se comporte de la même manière. C'est ainsi qu'est né le simulateur quantique, un dispositif qui ne calcule pas des équations, mais les reproduit dans son propre comportement.