Une étude quantique jette un nouvel éclairage sur la façon dont les neutrinos alimentent les supernovae

Les chercheurs ont utilisé des simulations quantiques pour obtenir de nouvelles informations sur la nature des neutrinos – les mystérieuses particules subatomiques qui abondent dans tout l’univers – et sur leur rôle dans la mort des étoiles massives.

Le étude s’est appuyé sur le soutien du Quantum Computing User Program, ou QCUP, et du Quantum Science Center, un centre national de recherche sur les sciences de l’information quantique, au laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie. L’ouvrage est publié dans la revue Lettres d’examen physique.

« Cette compréhension est quelque chose de nouveau qui ne vient pas des systèmes informatiques classiques », a déclaré Martin Savage, auteur principal de l’étude et professeur de physique à l’Université de Washington.

« Nous avons reconnu pour la première fois que nous pouvions étudier comment l’intrication entre plusieurs neutrinos est induite au fil du temps, et ces résultats se situent dans les barres d’erreur de ce que nous attendions d’un ordinateur classique. C’est un pas dans la direction d’une approche meilleure et plus précise. » et des simulations quantiques plus évolutives.

Les neutrinos résultent de réactions nucléaires, depuis les énormes réactions qui font briller le soleil jusqu’aux minuscules réactions qui permettent d’utiliser des traceurs radioactifs pour les tests médicaux. Ces particules extrêmement légères apparaissent partout, ne portent aucune charge électrique et interagissent rarement avec d’autres matières.

Mais lors de l’effondrement et de l’explosion d’une étoile – un processus mieux connu sous le nom de supernova – les neutrinos échangent de l’énergie et de l’élan non seulement entre eux, mais aussi avec tout ce qui les entoure.

« À ce stade, les neutrinos passent du statut de particules passives – presque passives – aux éléments majeurs qui contribuent à l’effondrement », a déclaré Savage. « Les supernovae sont intéressantes pour diverses raisons, notamment en tant que sites produisant des éléments lourds tels que l’or et le fer. Si nous pouvons mieux comprendre les neutrinos et leur rôle dans l’effondrement de l’étoile, nous pourrons alors mieux déterminer et prédire le rythme d’événements tels que une supernova. »

Les scientifiques observent rarement une supernova de près, mais les chercheurs ont utilisé des superordinateurs classiques tels que le Summit d’ORNL pour modéliser certains aspects du processus. Ces outils ne suffiraient pas à eux seuls à saisir la nature quantique des neutrinos.

« Ces neutrinos sont intriqués, ce qui signifie qu’ils interagissent non seulement avec leur environnement et avec d’autres neutrinos, mais aussi avec eux-mêmes », a déclaré Savage.

« Il est extrêmement difficile de simuler ce type de système, car l’intrication est une propriété intrinsèquement quantique, au-delà de ce que nous pouvons capturer et approximer en informatique classique. C’est pourquoi nous avons besoin d’un ordinateur quantique qui utilise des calculs basés sur la physique quantique pour modéliser ce qui se passe. « 

Savage et son co-auteur Marc Illa de l’InQubator for Quantum Simulation de l’Université de Washington ont obtenu une allocation de temps sur l’ordinateur quantique H1-1 de Quantinuum via QCUP, qui fait partie de l’Oak Ridge Leadership Computing Facility, qui accorde du temps sur des processeurs quantiques privés autour de le pays pour soutenir des projets de recherche. L’ordinateur Quantinuum utilise des ions piégés comme qubits, l’une des nombreuses approches informatiques quantiques.

Les ordinateurs classiques stockent les informations sous forme de bits égaux à 0 ou 1. En d’autres termes, un bit classique, comme un interrupteur, existe dans l’un des deux états suivants : allumé ou éteint.

Les ordinateurs quantiques stockent les informations sous forme de qubits, l’équivalent quantique des bits. Les qubits, contrairement aux bits classiques, peuvent exister simultanément dans plusieurs états via une superposition quantique, ce qui ressemble davantage à un cadran avec une gamme plus large de paramètres plus détaillés qu’à un interrupteur marche/arrêt. Cette différence permet aux qubits de transporter plus d’informations que les bits classiques. Les scientifiques espèrent utiliser cette capacité accrue pour alimenter une révolution de l’informatique quantique fondée sur une nouvelle génération d’appareils.

Cette capacité a permis à Savage et à l’équipe de recherche de simuler une approximation des interactions de mécanique quantique entre les neutrinos d’une supernova. Une véritable supernova impliquerait au minimum un septendécillion, soit 1054, neutrinos. Savage et Illa ont commencé leur simulation en utilisant un modèle plus simple avec un système de 12 neutrinos.

Chaque « saveur » ou type de neutrino trouvé dans la nature correspond à une particule « partenaire » : un électron, un muon ou un tau. Le modèle utilisé dans l’étude s’est concentré sur seulement deux saveurs.

Les circuits quantiques, l’équivalent quantique des circuits numériques traditionnels, ont permis à l’équipe de modéliser les connexions et interactions complexes entre les particules afin que chaque neutrino puisse interagir avec chacun des autres, et pas seulement avec ses voisins les plus proches.

Les résultats ont offert une approximation réaliste de la manière dont les neutrinos s’enchevêtrent au niveau quantique, de sorte que la modification des propriétés de l’un modifie également celles de l’autre. Au cours d’une supernova, les neutrinos peuvent changer de saveur, passant d’une saveur électronique à une saveur muonique ou à une saveur tau lorsque les neutrinos commencent à interagir les uns avec les autres et avec leur environnement. Les détails fournis par les simulations ont permis à l’équipe de mesurer l’évolution d’une saveur à une autre au fil du temps de divers neutrinos intriqués.

Pourquoi suivre la conversion des saveurs ? Parce que les saveurs mu et tau des neutrinos interagissent différemment avec la matière que leurs frères à saveur électronique. Ces interactions peuvent avoir un impact sur les quantités et les types d’éléments plus lourds produits lors de l’explosion de la supernova.

« Ces circuits se sont avérés très proches du comportement des neutrinos », a déclaré Savage. « Nous avons découvert que nous pouvions utiliser ces simulations pour mesurer l’intrication des neutrinos de manière statistiquement significative et que nous pouvions identifier une augmentation significative de la taille à mesure que le nombre de neutrinos augmentait. C’était la première fois que ce type d’étude était réalisé. »

Le principal obstacle à des simulations quantiques utiles est le taux d’erreur relativement élevé provoqué par le bruit qui dégrade la qualité des qubits. Le problème est si courant que la génération actuelle d’ordinateurs quantiques est connue sous le nom de quantum bruité à échelle intermédiaire, ou NISQ.

Diverses méthodes de programmation peuvent aider à réduire ces erreurs, mais Savage et Illa n’en ont pas eu besoin pour mener leur étude grâce à la haute qualité des qubits et des portes de l’ordinateur Quantinuum. Les circuits à 12 qubits de l’ordinateur se sont avérés suffisants pour près de 200 des portes à 2 qubits.

« Nous avons constaté que les erreurs systématiques sur le matériel quantique étaient inférieures aux erreurs statistiques », a déclaré Savage. « Nous avons encore un long chemin à parcourir pour prédire avec précision le comportement des grands systèmes de neutrinos, et nous ne savons pas si la génération actuelle d’appareils NISQ peut nous y amener. Mais cette technique devrait être portable sur d’autres types d’ordinateurs quantiques. , et les résultats nous aident à définir des protocoles pouvant être utilisés pour simuler de plus grands systèmes de neutrinos.

Les prochaines étapes comprennent la simulation d’un système comprenant jusqu’à 50 neutrinos. Savage espère modéliser de tels systèmes dans divers environnements.

« Nous voulons comprendre les implications des différents états thermiques, des états en équilibre et hors équilibre », a-t-il déclaré. « Nous sommes impatients de voir ce que nous pouvons explorer. »