Les chercheurs se tournent vers la puissance de calcul quantique pour simuler et étudier les noyaux atomiques News Service Iowa State University

James Vary et ses collaborateurs feront passer leurs simulations de noyaux atomiques d’ordinateurs classiques à hautes performances à des ordinateurs quantiques de nouvelle génération. Photo plus grande. Photo de Christopher Gannon/Université d’État de l’Iowa.

AMES, Iowa – Voyons, pensa James Vary, comment pouvons-nous nous amuser un peu avec le nom de notre projet de physique nucléaire d’un million de dollars ?

Hmm, peut-on travailler dans le terme hack ?

Donc, c’est « Noyaux et hadrons avec des ordinateurs quantiques ». Ou, « NuHaQ », pour faire court.

« C’est un décollage sur » hack «  », a déclaré Vary, professeur de physique et d’astronomie à l’Iowa State University et chef d’un nouveau projet soutenu par une subvention de 1 million de dollars sur trois ans du département américain de l’énergie. Dans les milieux universitaires de l’informatique, « être un bon hacker est un compliment positif. Les pirates adorent résoudre ces problèmes.

Dans ce cas, Vary et les chercheurs collaborateurs de l’Iowa State, de l’Université Tufts dans le Massachusetts et du Lawrence Berkeley National Laboratory du Département américain de l’énergie en Californie ont des problèmes très difficiles à résoudre.

Ils visent à comprendre comment utiliser l’informatique quantique – une technologie émergente dotée d’une puissance, d’une vitesse et d’un potentiel énormes – pour simuler toutes les forces naturelles au sein du noyau d’un atome.

Mais n’en savons-nous pas déjà beaucoup sur les noyaux atomiques ? Après tout, c’est en 1911 qu’Ernest Rutherford (qui a remporté le prix Nobel de chimie en 1908 pour ses études sur les radiations) a publié un article avec la première description du noyau d’un atome, découvert lorsque des particules ont heurté des atomes d’or et se sont en quelque sorte dispersées vers l’arrière. (Il s’avère qu’ils ont rebondi sur les noyaux denses des atomes, leurs noyaux.)

Eh bien, ont écrit Vary et ses collègues dans un résumé de projet, « Les noyaux atomiques comprennent plus de 99% de la matière visible dans l’univers, mais ils ne sont pas bien compris en termes de lois fondamentales de la nature. »

Comment, par exemple, les noyaux se sont-ils formés lors du Big Bang qui a créé l’univers ? Ou comment les noyaux se forment-ils dans les processus qui créent une supernova, une étoile massive, mourante et qui explose ?

Recherché : encore plus de puissance de calcul

Vary et ses collègues ont simulé les forces à l’intérieur des noyaux en rivalisant avec succès pour gagner du temps sur les supercalculateurs les plus puissants du monde. Cela inclut « Supercomputer Fugaku » du RIKEN Center for Computational Science au Japon, une machine classée n° 2 dans le dernier classement « TOP500 » des superordinateurs mondiaux. Entre juin 2020 et novembre 2021, il s’est classé n ° 1 sur la liste publiée chaque juin et novembre.

« Notre recherche est à la pointe de ce que les ordinateurs classiques sont actuellement capables de faire », a déclaré Vary. «Nous devons donc rechercher cette capacité suivante, le prochain niveau d’ordinateurs. Nous sommes toujours parfaitement conscients des limites des ordinateurs avec lesquels nous travaillons.

Ils ont essayé d’ajouter des outils d’intelligence artificielle à leur travail avec des ordinateurs à hautes performances. Bien que cela commence à révéler certains des rouages ​​​​des plus petits noyaux, cela révèle également certaines limites.

« L’intelligence artificielle nous a donné un aperçu du domaine dans lequel nous ne pouvons pas encore entrer », a déclaré Vary.

Pour y arriver, Vary et ses collaborateurs – Pieter Maris, Glenn Luecke (retraité) et Weijie Du (associé de recherche postdoctoral) de l’État de l’Iowa ; Pierre Amour et Gary Goldstein de touffes ; et Chao Yang de Berkeley Lab – se tournent vers l’informatique quantique.

« L’informatique quantique change la donne », a déclaré Vary à propos de la génération émergente de puissance de calcul basée sur la mécanique et les énergies aux échelles atomique et subatomique du monde quantique. « C’est un domaine totalement différent avec un potentiel de capacités immenses bien au-delà de ce que les ordinateurs hautes performances actuels peuvent faire. »

La technologie quantique signifie que les chercheurs pourraient avoir la puissance de calcul pour commencer à simuler et à étudier des noyaux atomiques de taille moyenne et grande – et leurs plus grands nombres de protons et de neutrons.

Vary a déclaré que la première tâche des chercheurs sera d’identifier les problèmes de physique nucléaire qui peuvent les aider à développer et à tester des outils informatiques quantiques. Il a déclaré que les chercheurs travailleraient avec les fabricants pour avoir accès aux derniers ordinateurs quantiques. Ensuite, ils développeront les nouvelles instructions de calcul étape par étape – les algorithmes, les schémas et les codes – nécessaires pour faire passer leur travail à la technologie quantique.

Ils espèrent que le travail mènera à « notre objectif ultime d’obtenir un avantage quantique », ont écrit les chercheurs. Cela signifierait que les ordinateurs quantiques deviendraient le meilleur outil pour modéliser et étudier les noyaux et toutes les forces fondamentales qu’ils contiennent. Et ce seraient des chercheurs et des étudiants qui utiliseraient pleinement leurs nouveaux outils quantiques.

Un nouveau hack, en effet.