Imaginez que vous êtes coincé dans un labyrinthe. Pour trouver la sortie, vous devez fonctionner par essais et erreurs. C’est aussi ce que font les ordinateurs traditionnels à algorithmes classiques pour résoudre des problèmes complexes. Mais qu’adviendrait-il si, comme par magie, vous pouviez vous démultiplier et tester tous les chemins en même temps? Vous trouveriez la sortie presque instantanément.
Un tel scénario ne tient cependant pas de la magie lorsqu’on parle de particules atomiques et subatomiques. Les électrons, par exemple, peuvent être à plus d’un endroit à la fois. C’est une loi fondamentale de la nature qu’on appelle, en physique quantique, le principe de superposition.
Imaginez maintenant si l’on exploitait cette possibilité dans nos simulateurs et ordinateurs traditionnels : le traitement de l’information deviendrait alors considérablement plus efficace!
Voilà le principe sur lequel reposent les ordinateurs et simulateurs quantiques. Essentiellement, ces ordinateurs exploitent la capacité des particules subatomiques à occuper plus d’un endroit simultanément.
Les simulateurs quantiques ne servent pas qu’à traiter de l’information rapidement. Ils sont aussi la solution toute désignée pour simuler les systèmes simples comme complexes qu’on retrouve dans la nature, car, au bout du compte, celle-ci est régie par les principes quantiques.
Ces simulateurs nous offrent donc une excellente occasion de reproduire certains aspects fondamentaux de la nature et de comprendre leur dynamique cachée, sans même avoir à tenir compte de la mécanique complexe des particules et de leurs interactions. C’est ici que cette recherche prend tout son sens.
L’équipe du professeur Karimi simule des systèmes périodiques et fermés de la nature, comme des molécules cycliques et des réseaux cristallins, à l’aide des propriétés mécaniques quantiques de la lumière. Les résultats obtenus contribuent à la compréhension de la dynamique de tels systèmes et ouvrent la porte à la mise au point d’ordinateurs quantiques efficaces qui exploitent les photons.
L’équipe de recherche a réussi à construire et à faire fonctionner le tout premier simulateur quantique spécialement conçu pour les systèmes cycliques. Un simulateur quantique sert à reproduire un système quantique, et l’expérience consistait donc à utiliser le quantum de lumière (photon) pour simuler le mouvement quantique des électrons à l’intérieur d’anneaux composés de diverses quantités d’atomes. Les résultats ont montré que la physique des systèmes cycliques est fondamentalement différente de celle des systèmes linéaires.
L’équipe a ainsi mis en place une puissante méthode expérimentale permettant de simuler un large éventail de systèmes atomiques, et aussi ouvert la voie à l’exploration de nombreuses avenues.
« Nous prévoyons que, dans un avenir rapproché, notre recherche aura une influence considérable sur toutes sortes de disciplines : médecine, informatique, chimie organique, biologie, sciences des matériaux, physique fondamentale, et plus encore », souligne Farshad Nejadsattari, l’un des stagiaires postdoctoraux d’Ebrahim Karimi qui ont encadré le projet.
Dans un simulateur, une particule quantique facile à contrôler et bien comprise de la physique (ici, une particule de lumière, ou photon) se propage dans un système conçu pour imiter l’objet de la simulation.
Parmi les résultats intéressants de cette expérience, on compte la découverte de distributions précises des particules sur un anneau, distributions qui restent intactes même lorsque les particules se propagent, ainsi que la découverte de cas dans lesquels la particule commence par s’étendre sur l’anneau avant de resurgir à son emplacement initial – du jamais vu dans les simulateurs quantiques.
Les méthodes de simulation quantique gagnant en maturité et en complexité, la synthèse de nouveaux matériaux, produits chimiques et médicaments deviendra beaucoup plus facile.
Le simulateur pourra fournir toutes les informations nécessaires, en un clin d’œil.
Pour en savoir plus, vous pouvez lire l’article « Experimental realization of wave-packet dynamics in cyclic quantum walks », récemment publié dans Optica.
Pour plus d’information :
Karyne Vienneau
Agente des relations avec les médias
Cell. 613-762-2908
[email protected]