Un effet quantique inhabituel qui immobilise complètement une particule a été recréé par des scientifiques. L’expérience a été réalisée à l’aide d’un ordinateur quantique hybride. Des chercheurs de l’Université d’Oxford, tout en reproduisant l’effet Aharonov-Bohm — qui montre qu’une particule peut être affectée par un champ magnétique sans le traverser — ont observé que l’influence magnétique invisible immobilisait complètement la particule simulée. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Physics. Dans cette étude, des qubits, les unités fondamentales de l’information quantique, ont été combinés à des oscillateurs quantiques représentant le mouvement vibratoire, afin d’étudier les interactions matière-champ, dont la simulation devient de plus en plus difficile avec des ordinateurs classiques.
L’effet avait été prédit en 1959 par les physiciens Yakir Aharonov et David Bohm. Une particule chargée pouvait subir un changement mesurable de sa phase quantique même en passant entièrement à l’extérieur de la région contenant le flux magnétique. La phase elle-même n’est pas directement observable. Néanmoins, les différences de phase produisent des effets mesurables, et cette prédiction a été confirmée par la suite dans des expériences menées avec de véritables électrons.
Cette fois, l’attention s’est portée sur les théories de jauge sur réseau. Les chercheurs étudient le même phénomène dans ces théories, qui décrivent l’interaction de la matière avec les champs associés aux forces fondamentales. L’espace y est représenté comme une grille. La matière se trouve aux points de cette grille, tandis que les champs se situent sur les liens reliant ces points. Les mathématiques de ces modèles, importants pour la physique des particules et la physique des hautes énergies, mettent à l’épreuve même les puissants ordinateurs classiques à mesure que les systèmes se complexifient. La simulation quantique repose quant à elle sur la construction d’un autre système quantique suivant les mêmes règles fondamentales, afin d’en observer directement le comportement.
Le projet a débuté en 2022. L’auteur principal de l’étude est le Dr Sebastian Saner, en collaboration avec le Dr Oana Bazavan et le Dr Alejandro Bermudez de l’Instituto de Física Teórica de Madrid. L’expérience a mobilisé deux composants. Les qubits codés dans les états internes d’atomes chargés maintenus en place par des champs électromagnétiques représentaient les champs de jauge, tandis que les oscillateurs constitués des vibrations de ces mêmes ions représentaient la matière. Deux oscillateurs représentaient la matière en deux points, et deux qubits les champs reliant ces points, formant ainsi un anneau simple.
L’équipe a codé le flux dans les qubits. Les deux qubits ont été placés dans un état quantique intriqué représentant le flux magnétique traversant le centre de l’anneau. Le plan initial était différent. Il était prévu d’ajouter le flux comme une condition d’arrière-plan fixe, mais le matériel utilisé ne se prêtait pas à une application directe de cette approche. Le codage du flux dans les qubits a offert une alternative pratique et a fait du flux une partie du système en évolution. « Pour nous, l’étape passionnante a été de coder le flux magnétique dans un champ de jauge lui-même dynamique », explique le Dr Saner.
La simulation a mis à l’épreuve l’effet tunnel. En l’absence de flux magnétique, la particule pouvait franchir librement l’anneau par effet tunnel. Lorsque le flux a été ajouté, les phases relatives des deux chemins possibles ont changé, les chemins se sont annihilés par interférence destructive et l’effet tunnel a été complètement supprimé. La particule est restée figée dans son état initial. Ainsi, l’effet Aharonov-Bohm a été démontré dans une théorie de jauge sur réseau comportant un champ dynamique.
Les résultats ont été publiés conjointement. Une équipe de l’Université du Maryland dirigée par le professeur Norbert Linke a également réalisé une étude connexe simulant le potentiel de Yukawa. Les deux groupes ont développé leurs méthodes indépendamment. Ils ont toutefois soumis leurs articles à Nature Physics de manière coordonnée.
Pourquoi c’est important
Cette expérience montre, par un exemple concret, que les ordinateurs quantiques peuvent être appliqués à des problèmes de physique que les machines classiques peinent à traiter. Les théories de jauge sur réseau, modèles fondamentaux de la physique des particules et des hautes énergies, dépassant même les ordinateurs classiques les plus puissants à mesure que le système se complexifie, le simulateur hybride offre une voie alternative à ce goulot d’étranglement. Le fait que la conception réunissant qubits et oscillateurs dans un même matériel soit née, de surcroît, d’une contrainte matérielle non planifiée indique que des systèmes plus complexes peuvent être représentés avec des ressources limitées. La publication simultanée, dans une même revue, de travaux développés selon des méthodes différentes par deux équipes indépendantes confirme que ce résultat n’est pas l’apanage d’un seul laboratoire. La question encore ouverte est de savoir si cette approche pourra être transposée à des systèmes physiques de plus grande échelle et plus réalistes.