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Faits saillants de la recherche

Marcela Carena

Marcela Carena, scientifique émérite primée, a été nommée directrice générale de l’Institut Périmètre de physique théorique

Marcela Carena entrera en fonction le 4 novembre 2024 à titre de nouvelle directrice générale de l’Institut Périmètre. Elle fait partie des experts les plus renommés au monde en physique des particules. Elle arrive à l’Institut après avoir terminé son mandat de directrice du Département de physique théorique au Laboratoire national de l’accélérateur Fermi, quittant son poste de professeure de physique à l’Université de Chicago. Elle est titulaire d’une chaire de chercheur invité distingué et préside le comité consultatif scientifique de l’Institut depuis 2022. À titre de directrice générale, elle succédera à Robert Myers, membre de longue date du corps professoral de l’Institut Périmètre, qui termine un mandat de cinq ans. Au cours de son mandat, Robert Myers a encadré la création du Centre Clay-Riddell de recherches sur la matière quantique de l’Institut Périmètre

en 2020, lancer des initiatives de recherche dans le domaine de l’inférence causale quantique et de l’holographie céleste, et mis sur pied PSI START, un programme de formation unique en son genre. Il demeure à l’Institut comme professeur et titulaire de la chaire Groupe-financier-BMO-Isaac-Newton. C’est en toute confiance qu’il passe le flambeau à Marcela Carena. « Je suis certain que son leadership guidera l’Institut Périmètre vers un avenir brillant et passionnant », a-t-il déclaré lors de l’annonce de nomination. Le dossier scientifique de Marcela Carena et son savoir-faire dans les relations de partenariats et de collaborations l’ont bien préparée pour diriger l’Institut au tournant de son 25e anniversaire et pour son prochain quart de siècle de recherche fondamentale.

L’Institut Périmètre se voit renouveler l’appui financier des gouvernements fédéral et provincial

La Province de l’Ontario et le Gouvernement du Canada ont annoncé cette année le renouvellement de leur financement de l’Institut Périmètre. Le gouvernement provincial s’est engagé à fournir 36 millions de dollars sur trois ans par l’entremise du ministère des Collèges et Universités, tandis que le gouvernement fédéral a alloué 34,4 millions de dollars sur cinq ans par l’entremise du Fonds stratégique des sciences du ministère de l’Innovation, des Sciences et du Développement économique du Canada. Ces investissements permettront à l’Institut de continuer d’offrir ses programmes de calibre mondial en recherche, en formation et en diffusion des connaissances, et d’assurer ainsi au Canada, à l’Ontario et à l’Institut le maintien de leur statut de pôle de recherche scientifique dans une économie du savoir de plus en plus concurrentielle à l’échelle mondiale.

« Cet appui renouvelé aidera l’Institut Périmètre à faire avancer les recherches en sciences fondamentales, à inspirer les jeunes, à former des étudiants exceptionnels et à jouer un rôle central dans le développement de l’écosystème quantique de l’Ontario et du Canada. Nous sommes profondément reconnaissants envers nos partenaires fédéraux et provinciaux pour leur soutien continu à l’Institut et à sa mission. Sans eux, notre travail ne serait pas possible, car c’est ensemble que nous créons un pôle de classe mondiale en physique théorique, que nous formons des partenariats solides et que nous favorisons l’innovation scientifique. »

Robert Myers, directeur de l’Institut

Une année éblouissante pour l’imagerie des trous noirs avec le télescope Horizon des événements

Avery Broderick
Une image vaut mille mots, et les nouvelles images de trous noirs supermassifs en ont beaucoup à nous dire. La capture et l’interprétation des images du télescope Horizon des événements sont le fruit d’un effort mondial, et les scientifiques canadiens y jouent un rôle de premier plan. En tant que partenaire du consortium du télescope Horizon des événements, l’équipe de chercheurs de l’Institut Périmètre, dirigée par le professeur-chercheur associé Avery Broderick, utilise des instruments et des techniques conçus ici même à Waterloo pour scruter les images des trous noirs supermassifs M87* et SgrA*, et les faire raconter l’histoire de l’évolution des trous noirs, en dirigeant le point de mire sur le centre énigmatique de notre coin de galaxie. De nouveaux résultats cette année ont permis de publier une deuxième image de M87*, ainsi que les premières images en lumière polarisée de M87* et SgrA*.

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L’équipe de chercheurs du télescope Horizon des événements « Event Horizon Telescope (EHT) » a publié de nouvelles images de trou noir M87* à partir d’observations prises en avril 2018, un an après les premières observations d’avril 2017. Les nouvelles observations de 2018, qui comprennent la première participation du télescope du Groenland, révèlent un anneau d’émission familier et brillant de la même taille que celui que nous avons découvert en 2017.

Les trous noirs font leur entrée au laboratoire

Le paradoxe de l’information perdue des trous noirs – qui consiste à déterminer si l’information peut être récupérée une fois qu’elle tombe dans un trou noir – est une question qui taraude les physiciens depuis près d’un demi-siècle. Le professeur-chercheur de l’Institut Périmètre Beni Yoshida affirme détenir la réponse : il semblerait que oui. Un oui qu’on peut enfin tester. Beni Yoshida et ses collaborateurs ont fait appel à divers instruments pour transformer la question sur la perte d’information dans les trous noirs en une question sur la conservation de l’information dans les systèmes quantiques. Dans la foulée des travaux de Yoshida, des chercheurs du Joint Quantum Institute de l’Université du Maryland ont mené l’expérience en recourant à l’un des systèmes quantiques les plus rigoureusement contrôlés au monde : une poignée d’ions très froids, capturés dans des puits magnétiques, et déplacés avec le plus grand soin à l’aide d’impulsions laser. Le résultat historique a été publié à l’origine dans la revue Nature en 2019. Il s’agissait du premier article à rendre compte de manière convaincante de la simulation de la physique de trous noirs quantiques et de l’observation du brouillage de l’information quantique. Beni Yoshida explore les implications plus larges que pourrait avoir ce résultat sur les études de l’information quantique.

Refrences:

T. Schuster (U. de Californie à Berkeley), B. Kobrin (U. de Californie Berkeley/Laboratoire national Lawrence-Berkeley), P. Gao (MIT), I. Cong (U. Harvard), E.T. Khabiboulline (U. Harvard), N.M. Linke (U. du Maryland), M.D. Lukin (U. Harvard), C. Monroe (U. du Maryland/IonQ), B. Yoshida (Institut Périmètre), N.Y. Yao (U. de la Californie à Berkeley), « Many-body quantum teleportation via operator spreading in the traversable wormhole protocol », Phys. Rev. X 12 (2022), arXiv: 2102.00010.

K.A. Landsman (U. du Maryland), C. Figgatt (U. du Maryland), T. Schuster (U. de la Californie à Berkeley), B. Yoshida (Institut Périmètre), N.Y. Yao (U. de la Californie à Berkeley), C. Monroe (U. du Maryland/IonQ), « Verified quantum information scrambling », Nature 567, 61-65 (2019), arXiv: 1806.02807.
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Les cosmologistes sont emballés par les nouveaux résultats du Spectroscope de l’énergie sombre

Les premiers résultats de l’équipe du spectroscope DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), dont fait partie le professeur-chercheur associé et directeur du Centre d’astrophysique de Waterloo Will Percival, semblent indiquer qu’il faille revoir notre modèle cosmologique actuel. Selon le modèle standard de cosmologie, l’énergie sombre fait en sorte que la densité d’énergie demeure constante dans l’espace et le temps. Ce n’est cependant pas ce que permet de conclure la nouvelle analyse des données du spectroscope DESI. Si les résultats de l’analyse sont confirmés, la densité de l’énergie sombre serait alors variable, ce qui pourrait signifier que le modèle standard est erroné, ou que des ajustements doivent être apportés aux théories de la gravité et de la relativité générale d’Einstein. Les conclusions du DESI ont fait l’objet de discussions animées cette année lors de la conférence « 50 Years of Horndeski Gravity », organisée conjointement par l’Institut Périmètre et l’Université de Waterloo. Les chercheurs affirment que cette découverte pourrait changer notre conception de l’Univers et nos prédictions de son destin ultime. Il ne s’agit pour l’instant que de données préliminaires, et d’autres résultats du spectroscope DESI à venir dans les prochaines années nous permettront peut-être de savoir si ces indices de matière sombre variable résistent à un examen plus approfondi.

Références : Une liste complète des articles issus des communications de données du spectroscope DESI est accessible à l’adresse https://data.desi.lbl.gov/doc/papers (en anglais seulement).

Les Gens de l’Institut

Explorateur de la matière quantique

Timothy Hsieh

Si vous avez déjà entendu un orchestre en concert, vous savez comment la musique peut occuper et emplir un espace où chaque instrument se fond en une œuvre musicale d’une émouvante beauté. Timothy Hsieh, directeur du Centre Clay-Riddell de recherches sur la matière quantique et professeur-chercheur, s’intéresse à un phénomène similaire, mais à l’échelle quantique. À l’instar d’un compositeur de musique, il propose de nouvelles combinaisons des plus petits éléments qui existent dans la nature et crée des modèles de phénomènes inédits qui pourraient être plus puissants que la somme de leurs parties. Le but est de découvrir dans la matière quantique des propriétés émergentes intéressantes qui pourraient être utiles à l’avancement de l’informatique quantique.

Jeux olympiques de l’IA quantique

Mohamed Hibat-Allah
Imaginez que vous assistiez à l’épreuve olympique du 100 mètres haies, mais qu’au lieu de coureurs humains, les concurrents étaient plutôt différents modèles d’intelligence artificielle (IA) – certains fonctionnant sur des ordinateurs ordinaires ou « classiques » et d’autres, sur des ordinateurs quantiques. Au terme de chaque course, vous pourriez connaître le « gagnant », celui qui résout le plus efficacement des problèmes donnés. Cette comparaison était l’objet d’un article publié par une équipe de chercheurs dont faisaient partie Mohamed Hibat-Allah, boursier du programme PSI (Perimeter Scholars International – Boursiers internationaux de l’Institut Périmètre), et Juan Carrasquilla, ancien postdoctorant à l’Institut Périmètre, où il séjourne actuellement comme adjoint invité. Connaître les possibilités et les limites des ordinateurs quantiques revêt une importance particulière dans le contexte de l’IA générative, où l’informatique quantique pourrait avoir l’avantage dans les domaines reposant sur des ensembles de données d’entraînement restreints, comme dans l’industrie pharmaceutique. Si l’informatique quantique parvient à rendre l’IA générative plus efficace et performante, elle pourrait changer la donne dans des domaines comme la découverte de médicaments.

Refrences:

M. Hibat-Allah (Institut Périmètre/Zapata Computing/U. de Waterloo), M. Mauri (Zapata Computing), J. Carrasquilla (Institut Vecteur/U. de Waterloo/U. de Toronto), A. Perdomo-Ortiz (Zapata Computing), « A framework for demonstrating practical quantum advantage: racing quantum against classical generative models », Commun Phys 7, 68 (2024), arXiv: 2303.15626.
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Asimina Arvanitaki
Amalia Madden

À la recherche des axions

La piézoélectricité, un phénomène par lequel certains matériaux génèrent une charge électrique lorsqu’ils sont comprimés ou soumis à une pression, a été démontrée par des physiciens pour la première fois il y a près de 150 ans. Aujourd’hui, Asimina Arvanitaki, professeure-chercheuse et titulaire de la chaire Fondation-Stavros-Niarchos-Aristarque, avec Amalia Madden, doctorante à l’Institut Périmètre, et une équipe de chercheurs, pensent qu’on pourrait utiliser la piézoélectricité pour trouver des particules hypothétiques de matière sombre appelées axions. Dans un article publié dans Physical Review Letters cette année, ils ont avancé l’hypothèse que les axions puissent produire dans certains matériaux piézoélectriques un signal détectable, qu’ils appellent « effet piézoaxionique ». On serait peut-être alors enfin en mesure de détecter ces particules qui constituent la matière sombre. Leur théorie maintenant au point, Asimina Arvanitaki et Amalia Madden explorent maintenant des collaborations avec des scientifiques en recherche expérimentale pour mettre à l’épreuve leur idée.

Refrences:

A. Arvanitaki (Institut Périmètre), A. Madden (Institut Périmètre/U. de Waterloo), K. Van Tillburg (U. de New York/Institut Flatiron), « Piezoaxionic effect », Phys. Rev. D 109, 072009 (2024), arXiv: 2112.11466.
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En remontant dans le temps, des chercheurs constatent que l’espace-temps s’est « désintégré » dans l’Univers primordial

Barbara Šoda, postdoctorante à l’Institut Périmètre, utilise des outils mathématiques de géométrie spectrale pour porter un regard nouveau sur les origines de l’Univers. Ses travaux avec Achim Kempf, affilié à l’Institut Périmètre et professeur à l’Université de Waterloo, et Marcus Reitz de l’Université Jagellon en Pologne, tendent à montrer que l’espace-temps pourrait émerger d’éléments informes d’information quantique. Si c’est le cas, l’espace-temps pourrait changer de structure intrinsèque et de nombre de dimensions. Par exemple, il pourrait passer de deux à trois dimensions, comme l’espace que l’on connaît (avec sa quatrième dimension qu’est le temps).

Barbara Šoda travaille également avec les physiciens Jonathan Oppenheim, Carlos Sparaciari et Zachary Weller-Davies, un nouveau postdoctorant à l’Institut Périmètre, pour approfondir la « théorie postquantique de la gravité » d’Oppenheim. Cette théorie prévoit que les fluctuations aléatoires de l’espace-temps peuvent également rendre imprévisible le poids apparent des objets si ceux-ci sont mesurés avec suffisamment de précision. Tous ces travaux s’inscrivent dans la grande quête de la physique moderne : unifier notre conception de la relativité générale (théorie de la gravitation d’Einstein) et celle de la théorie quantique, qui décrit les interactions entre les particules et les forces fondamentales de la nature.

Références: M. Reitz (U. Jagellon), B. Šoda (Institut Périmètre), A. Kempf (U. de Waterloo/Institut Périmètre), « Model for emergence of spacetime from fluctuations », Phys. Rev. Lett. 131, 211501 (2023), arXiv: 2303.01519

J. Oppenheim (Collège universitaire de Londres), C. Sparaciari (Collège universitaire de Londres), B. Šoda (Institut Périmètre), Z. Weller-Davies (Collège universitaire de Londres/Institut Périmètre), « Gravitationally induced decoherence vs space-time diffusion: testing the quantum nature of gravity », Nat Commun. 14, 7910 (2023), arXiv: 2203.01982.

Les codes correcteurs d’erreurs quantiques révèlent de nouveaux liens en physique

Les ordinateurs quantiques sont fragiles, et les interférences du monde extérieur peuvent perturber l’intrication quantique qui est à la base de leur fonctionnement. Pour pallier ce problème et protéger les ordinateurs quantiques contre les erreurs, les programmeurs utilisent des codes correcteurs d’erreurs. Par exemple, la correction approximative des erreurs quantiques (CAEQ) est un type de code qui peut être utile, mais les chercheurs ont besoin d’une méthode pour séparer les codes triviaux des codes non triviaux. Dans un récent article de la revue Nature Physics signé par Daniel Gottesman, titulaire d’une chaire de chercheur invité distingué de l’Institut Périmètre et professeur à l’Université du Maryland, Zi-Wen Liu, postdoctorant à l’Institut Périmètre, et les doctorants Jinmin Yi et Weicheng Ye, également à l’Institut Périmètre, les auteurs proposent un nouveau cadre rigoureux de CAEQ pour éliminer les codes non triviaux. Que se passe-t-il lorsqu’on applique ce cadre à des données réelles? La réponse est double. Premièrement, il aide à définir les relations entre l’intrication et sa propriété de code associée. Deuxièmement, il permet de mieux comprendre la relation entre la mécanique quantique et les théories de la gravité.

Référence : J. Yi (Institut Périmètre/U. de Waterloo), W. Ye (Institut Périmètre), D. Gottesman (U. du Maryland, College Park), Z.-W. Liu (Institut Périmètre/U. Tsinghua), « Complexity and order in approximate quantum error-correcting codes », Nat. Phys. (2024), arXiv: 2310.04710.

Un groupe collaboratif auquel participe l’Institut Périmètre explore le lien entre l’information quantique et les motifs d’une mosaïque

Latham Boyle
Qu’arrive-t-il lorsqu’un chercheur en informatique quantique rencontre un expert en pavages apériodiques sur la navette de l’Institut Périmètre vers Toronto? Pour le postdoctorant Zhi Li et l’adjoint invité Latham Boyle, la réponse est un nouveau mode de codage quantique. Alors qu’ils se rendaient à Toronto l’année dernière, les deux chercheurs ont amorcé une conversation improbable où ils ont remarqué que le pavage apériodique, un assemblage non répétitif de tuiles pour paver un plan avec des motifs limités, et le codage pour corriger les erreurs quantiques étaient basés sur des modèles mathématiques différents qui partageaient pourtant des ressemblances intrigantes. Ils ont commencé à se demander si l’un pouvait servir à améliorer l’autre et ont démarré un nouveau programme de recherche pour le découvrir. Résultat : un nouveau type de code quantique qui permettrait de trouver et de corriger les erreurs dans les codes de calcul quantique.

Refrences:

Référence : Z. Li (Institut Périmètre), L. Boyle (Institut Périmètre/U. d’Édimbourg), « The Penrose tiling is a quantum error-correcting code », arXiv:2311,13040
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