Une équipe de physiciens américains vient de franchir une étape majeure dans la compréhension des premiers instants de l’Univers. Selon Futura Sciences, des chercheurs du Laboratoire national Lawrence Berkeley (LBNL) ont simulé pour la première fois une phase clé de la formation de la matière, en utilisant un ordinateur quantique d’IBM. Une avancée qui ouvre la voie à une meilleure connaissance du quagma, cet état extrême de la matière qui a précédé la création des protons et neutrons composant nos atomes.

Ce qu'il faut retenir

  • Des physiciens du Laboratoire national Lawrence Berkeley (LBNL) ont simulé le processus d’hadronisation grâce à un ordinateur quantique d’IBM doté de 104 qubits.
  • Le quagma désigne le plasma de quarks et de gluons qui a existé pendant le Big Bang, avant la formation des protons et neutrons.
  • Les équations décrivant ce phénomène, appelées équations de Yang-Mills, sont d’une complexité telle que leur résolution par des supercalculateurs classiques prendrait des années, voire des millénaires.
  • Cette simulation représente une étape vers la résolution du problème de l’hadronisation, un processus encore mal compris dans le cadre de la chromodynamique quantique (QCD).
  • Les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review D, disponible en accès libre sur la plateforme arXiv.

Le plasma originel, clé de voûte de la physique des particules

Les protons et neutrons qui constituent la matière ordinaire ne sont pas apparus ex nihilo. D’après les modèles cosmologiques, ils se sont formés à partir d’un état primordial de la matière : le quagma, un plasma ultra-chaud de quarks et de gluons. Ce phénomène s’est produit dans les premières microsecondes qui ont suivi le Big Bang, bien avant l’apparition des atomes et des molécules. « Ce plasma existait au tout début de l’Univers, avant que la matière ne se structure sous forme de hadrons », explique Anthony Ciavarella, physicien au LBNL et principal auteur de l’étude. Selon Futura Sciences, cette simulation marque une première dans l’étude de ce phénomène.

Pour percer les secrets de ce plasma, les chercheurs doivent résoudre des équations parmi les plus complexes de la physique : celles de la chromodynamique quantique (QCD). Ces équations décrivent l’interaction forte, l’une des quatre forces fondamentales de la nature, qui maintient les quarks ensemble au sein des protons et neutrons. Cependant, leur résolution analytique est impossible dans la plupart des cas, en raison de leur nature non linéaire.

Des équations insolubles sans l’aide des ordinateurs quantiques

Les équations de la QCD, comme celles de Yang-Mills qui en découlent, sont d’une difficulté telle que même les supercalculateurs les plus puissants peinent à les résoudre. Prenons l’exemple de la mécanique des fluides : les équations de Navier-Stokes permettent de décrire des phénomènes aussi variés que la formation des vagues ou les écoulements d’air autour d’un avion. Quand ces équations sont simplifiées, leurs solutions prennent la forme de fonctions oscillantes comme les sinus et cosinus. Mais dès que les conditions deviennent plus extrêmes – tempêtes, écoulements supersoniques – les calculs numériques deviennent indispensables. « Dans certains cas, ces calculs pourraient prendre des années, voire des millénaires sur des superordinateurs », précise l’article de Futura Sciences.

C’est là que les ordinateurs quantiques entrent en jeu. Leur avantage ? Ils exploitent les principes de la mécanique quantique pour effectuer des calculs autrement impossibles avec des machines classiques. Dès les années 1980, le physicien Richard Feynman avait imaginé leur utilité pour simuler des systèmes quantiques complexes. Aujourd’hui, cette vision commence à se concrétiser. « On commence à voir ce rêve se réaliser depuis quelques années », souligne Futura Sciences. Avec l’ordinateur quantique IBM Heron, doté de 156 qubits, les chercheurs du LBNL ont pu simuler une version simplifiée du processus d’hadronisation, une étape clé pour comprendre comment les quarks et gluons se sont liés pour former les protons et neutrons.

L’hadronisation : un casse-tête pour la physique moderne

L’un des défis majeurs de la QCD est l’hadronisation, ce processus par lequel les quarks, une fois séparés par des collisions à haute énergie, se recombinent instantanément en hadrons – des particules comme les protons ou les neutrons. Dans les années 1970, les physiciens ont découvert que les forces entre quarks augmentent avec la distance, créant une sorte de « corde » énergétique entre eux. Tenter de séparer deux quarks dans un hadron revient à étirer cette corde jusqu’à ce qu’elle se brise, libérant suffisamment d’énergie pour former deux nouveaux hadrons – mais jamais des quarks libres. « Au lieu d’obtenir deux quarks isolés, on obtient deux nouveaux hadrons », explique l’article.

Ce phénomène explique pourquoi les quarks n’ont jamais été observés à l’état libre, malgré des décennies de recherches. Pourtant, dans les conditions extrêmes du quagma, comme celles du Big Bang, les quarks et gluons pouvaient évoluer librement avant de se lier pour former la matière que nous connaissons. « Les protons et neutrons de nos noyaux atomiques peuvent être vus comme des gouttes de ce plasma originel qui s’est condensé en se refroidissant », détaille Futura Sciences. Simuler ce processus était jusqu’à présent hors de portée des ordinateurs classiques. Grâce à l’ordinateur quantique, les chercheurs ont pu modéliser une forme simplifiée de cette recombinaison, une première mondiale.

Vers une révolution en physique fondamentale

Cette avancée s’inscrit dans un contexte où l’informatique quantique commence à tenir ses promesses. IBM, leader dans ce domaine, a développé des processeurs comme Heron, capable d’effectuer des calculs bien plus rapidement que les supercalculateurs classiques pour certains problèmes. « Les ordinateurs quantiques pourraient offrir un avantage décisif en temps de calcul, voire une suprématie totale sur les machines classiques pour certains problèmes », estime Futura Sciences. Dans le cadre de cette étude, les chercheurs ont utilisé 104 qubits du processeur IBM pour mener à bien leurs simulations.

Les implications de cette recherche vont bien au-delà de la simple compréhension du Big Bang. Une meilleure maîtrise de l’hadronisation pourrait aussi éclairer des phénomènes comme les collisions d’ions lourds au LHC (Large Hadron Collider), où des plasmas de quarks et gluons sont recréés artificiellement. « Ce travail ouvre la voie à des simulations plus précises de la QCD, et pourrait un jour permettre de calculer la masse des protons directement à partir des équations fondamentales », souligne Anthony Ciavarella. À plus long terme, ces avancées pourraient même influencer des domaines comme l’astrophysique ou la fusion nucléaire.

Et maintenant ?

Les prochaines étapes consisteront à affiner ces simulations pour explorer des aspects encore plus complexes du quagma et de l’hadronisation. Les chercheurs du LBNL prévoient d’utiliser des processeurs quantiques encore plus puissants, avec l’espoir de résoudre des équations actuellement hors de portée. Une publication plus détaillée est attendue dans les prochains mois, tandis que la communauté scientifique suit ces travaux avec un intérêt croissant. Reste à voir si cette technologie parviendra à tenir toutes ses promesses dans les années à venir.

Pour l’heure, cette avancée confirme le rôle clé que pourraient jouer les ordinateurs quantiques dans la compréhension des lois fondamentales de l’Univers. Comme le souligne Futura Sciences, « l’ère des simulations quantiques de la matière primordiale ne fait que commencer ».

Le quagma désigne un état de la matière composé de quarks et de gluons, existant à des températures et densités extrêmes. Il a prévalu pendant les premières microsecondes après le Big Bang, avant que la matière ne se structure en protons et neutrons.

Les équations décrivant le quagma, comme celles de la chromodynamique quantique (QCD), sont non linéaires et d’une complexité telle que leur résolution par des méthodes classiques prendrait des années, voire des millénaires. Les ordinateurs quantiques, en exploitant les principes de la mécanique quantique, pourraient contourner ces limites.