La semaine dernière, des chercheurs ont publié un document de travail majeur qui recense les activités en physique des particules auxquelles pourraient être appliquées les technologies de l'informatique quantique, en plein essor. Ce document, établi par des experts du CERN, du Laboratoire DESY, d'IBM Quantum et de plus de 30 organisations, est désormais disponible sur ArXiv.
À l’heure où ces technologies quantiques connaissent une évolution rapide, le document répertorie leurs applications potentielles dans le domaine de la physique des particules. Le but est de faire face aux défis informatiques de l'ambitieux projet d'amélioration du Grand collisionneur de hadrons, mais aussi d’autres collisionneurs et de diverses expériences de basse énergie dans le monde.
Le document a été rédigé par un groupe de travail formé lors de la toute première Conférence internationale sur la technologie quantique pour la physique des hautes énergies (QT4HEP), qui s'est tenue au CERN en novembre dernier. Depuis, ses 46 membres se sont attelés à définir les domaines dans lesquels les technologies quantiques pourraient être un atout.
Ces domaines concernent aussi bien la théorie que la physique expérimentale. Le document met ensuite en rapport ces activités avec des « formulations de problèmes » en informatique quantique. Cette phase d'identification est importante car elle permettra à la communauté de la physique des particules d’être bien placée pour profiter de l'immense potentiel que représenteront les ordinateurs quantiques quand ils seront disponibles.
« L'informatique quantique est très prometteuse, mais ce mode de calcul n’est pas forcément adapté à tous les problèmes de physique des particules, explique Alberto Di Meglio, responsable de l'initiative Technologie quantique (QTI) du CERN et auteur principal du document, aux côtés de Karl Jansen, de DESY, et Ivano Tavernelli, d'IBM Quantum. Nous devons faire en sorte d’être prêts et, pour cela, il nous faut identifier correctement les domaines dans lesquels ces technologies ont le potentiel d'être les plus utiles à notre communauté. »
Concernant la physique des particules théorique, les auteurs ont retenu comme prometteurs les domaines relatifs à l'évolution des états quantiques, à la théorie de jauge sur réseau, aux oscillations de neutrino et à la théorie quantique des champs en général. Les applications envisagées comprennent la dynamique quantique, les algorithmes hybrides quantiques/classiques pour la résolution de problèmes de statique posés par la théorie de jauge sur réseau, l'optimisation et la classification.
Concernant la physique des particules expérimentale, les domaines repérés sont la reconstitution des jets et des trajectoires, l'extraction de signaux rares, la résolution de problèmes se situant dans le Modèle standard ou au-delà du Modèle standard, les cascades partoniques et la simulation d'expériences. Ces domaines sont ensuite mis en regard avec des problèmes de classification, de régression, d'optimisation et de génération.
Les membres du groupe de travail à l'origine de ce document vont désormais entamer un processus de sélection, à partir des activités répertoriées, de cas d'utilisation spécifiques. Ces derniers seront explorés plus avant, dans le cadre de la participation du CERN et de DESY au réseau d'IBM Quantum, et de leur collaboration avec IBM Quantum, pour son 100x100 Challenge. IBM Quantum est un collaborateur de longue date de l’initiative QTI du CERN et du CQTA (Center for Quantum Technologies and Applications) de DESY.
Dans le contexte du 100x100 Challenge, IBM fournira, en 2024, un outil capable de calculer des observables non biaisées de circuits quantiques de 100 qubits et d'une profondeur de 100 portes. Ce banc de test permettra de faire progresser les cas d'utilisation sélectionnés qui s'avèrent prometteurs en physique des particules, mais aussi dans d'autres domaines de recherche.
Le groupe de travail se réunira à nouveau au CERN, à l'occasion d'un atelier spécial qui se tiendra les 16 et 17 novembre, juste avant la Conférence sur les techniques quantiques pour l’apprentissage automatique, du 19 au 24 novembre.
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Une version intégrale de l’article (en anglais) peut être consultée sur le site web de la QTI du CERN.
Le document de travail est disponible sur ArXiv, ici.