La simulation de systèmes à N corps en interaction forte est un objectif clé de la recherche en physique quantique, car elle peut aider à tester les prédictions des théories physiques et à fournir de nouvelles informations précieuses. Des chercheurs de Quantinuum, une société d'informatique quantique, ont récemment simulé une version simplifiée d'un modèle théorique bien connu, le modèle dit de Sachdev-Ye-Kitaev (SYK), en utilisant un ordinateur quantique à ions piégés et un algorithme quantique randomisé précédemment introduit.
Leur simulation, décrite dans un article publié sur le arXiv serveur de préimpression, améliore la compréhension actuelle des systèmes quantiques chaotiques qui ne peuvent pas être simulés à l’aide d’ordinateurs classiques. À l’avenir, leurs travaux pourraient contribuer à la simulation d’autres systèmes quantiques et modèles théoriques complexes.
« Nous étions intéressés par le modèle SYK pour deux raisons : d'une part, il s'agit d'un modèle prototypique de fermions en interaction forte dans la physique de la matière condensée, et d'autre part, il s'agit du modèle jouet le plus simple pour étudier la gravité quantique en laboratoire via la dualité holographique », a déclaré Enrico Rinaldi, scientifique principal en R&D chez Quantinuum et auteur principal de l'article.
« Nous avons pensé que nos ordinateurs quantiques devraient être capables de comparer les simulations quantiques de ce modèle physique très important, car ils sont bien adaptés à un nouvel algorithme permettant de simuler l'évolution temporelle sans erreurs systématiques sur les ordinateurs quantiques : TETRIS. »
TETRIS est un algorithme développé chez Quantinuum et introduit en 2024, qui peut être utilisé pour calculer l'évolution d'un système quantique au fil du temps sur des ordinateurs quantiques. La conception sous-jacente de cet algorithme et sa nature aléatoire sont bien adaptées à la simulation du modèle SYK avec des couplages aléatoires (c'est-à-dire où les forces d'interactions entre les particules sont aléatoires et non fixes).
De même, le Quantinuum System Model H1, le processeur utilisé par les chercheurs, se caractérise par une connectivité haute fidélité et tout-à-tout entre les qubits, ce qui est parfait pour simuler les interactions du modèle SYK.
« Le modèle SYK est constitué de N fermions (tels que des électrons) interagissant de manière tout-à-tout (chacun se couple à tout le monde) avec des termes à 4 corps (4 fermions dans chaque terme d'interaction) », a expliqué Rinaldi. « Nous avons pris le modèle avec N = 24 fermions et utilisé 12+1 qubits sur le modèle de système quantique H1 pour simuler l'évolution temporelle d'un état quantique initial de la théorie. »
Rinaldi et ses collègues ont simulé l'évolution de cet état quantique initial à l'aide de l'algorithme TETRIS. L’algorithme leur a permis d’ajuster soigneusement le nombre de portes/opérations quantiques nécessaires pour calculer l’état final du modèle avec une grande précision.
« De plus, TETRIS permet une série d'astuces naturelles d'atténuation des erreurs qui augmentent la robustesse du résultat au bruit quantique », a déclaré Rinaldi. « La combinaison de ces avancées algorithmiques et des opérations haute fidélité et tout-à-tout du modèle système H1 nous a permis de réaliser les plus grandes simulations SYK à ce jour. »
Le modèle SYK simulé par les chercheurs est composé de 24 fermions Majorana en interaction (c'est-à-dire des particules qui sont également leurs propres antiparticules). Les interactions entre ces particules étant complexes et difficiles à prédire, la simulation de ces types de systèmes s’est jusqu’à présent révélée très difficile.
« Notre étude montre pour la première fois que des interactions aussi complexes peuvent être simulées sur la génération actuelle de dispositifs quantiques commerciaux de Quantinuum en concevant intelligemment de nouveaux algorithmes et techniques d'atténuation du bruit », a déclaré Rinaldi. « À plus grande échelle, nous montrons qu'il est plausible que d'autres systèmes difficiles à simuler, tels que le modèle de Fermi-Hubbard ou les théories de jauge sur réseau, soient bientôt simulés par les ordinateurs quantiques de notre feuille de route. »
Les travaux récents de Rinaldi et de ses collègues marquent une étape importante vers la simulation et l'étude des systèmes quantiques chaotiques. À l’avenir, des versions améliorées du processeur quantique à ions piégés et de l’algorithme randomisé qu’ils ont utilisés pourraient permettre la simulation d’autres systèmes avec un nombre encore plus grand de particules et des interactions plus complexes.
« Nous étudions actuellement de nouveaux algorithmes améliorés pour simuler les modèles SYK qui tirent parti des nouvelles capacités de Quantinuum Helios et des futurs ordinateurs quantiques figurant sur la feuille de route de Quantinuum », a ajouté Rinaldi. « D'un point de vue théorique, nos algorithmes réduiront la complexité du circuit et le nombre de portes nécessaires pour simuler ce modèle. Enfin, du côté matériel, nous continuerons à pousser encore plus loin la profondeur de nos circuits et la fidélité des portes. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Gaby Clark, et vérifié et révisé par Robert Egan, cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour maintenir en vie le journalisme scientifique indépendant. Si ce reporting vous intéresse, pensez à faire un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte en guise de remerciement.
