Les scientifiques ont développé l’algorithme ACE pour étudier les interactions des qubits et les changements dans leur état quantique, simplifiant ainsi le calcul de la dynamique quantique et ouvrant la voie aux progrès de l’informatique quantique et de la téléphonie.
L’informatique quantique pratique est un pas de plus.
Les chercheurs ont introduit un nouvel algorithme appelé Compression automatisée des environnements arbitraires (ACE), conçu pour étudier les interactions des qubits avec leur environnement et les changements qui en résultent dans leur état quantique. En simplifiant le calcul de la dynamique quantique, cet algorithme, fondé sur l’interprétation de Feynman de la mécanique quantique, offre de nouvelles voies pour comprendre et exploiter les systèmes quantiques. Les applications potentielles incluent les progrès de la téléphonie et de l’informatique quantiques, fournissant des prédictions plus précises sur la cohérence et l’intrication quantiques.
Les ordinateurs conventionnels utilisent des bits, représentés par des zéros et des uns, pour transmettre des informations, tandis que les ordinateurs quantiques utilisent plutôt des bits quantiques (qubits). Semblables aux bits, les qubits ont deux états ou valeurs principaux : 0 et 1. Cependant, contrairement à un bit, un qubit peut exister dans les deux états en même temps.
Bien que cela puisse sembler un paradoxe déroutant, il peut s’expliquer par une simple analogie avec une pièce de monnaie. Un bit classique peut être représenté comme une pièce de monnaie avec pile ou face (un ou zéro) face vers le haut, tandis qu’un qubit peut être considéré comme une pièce de monnaie en rotation, qui a également pile et face, mais qu’elle soit pile ou face vers le haut peut ne peut être déterminé qu’une fois qu’il cesse de tourner, c’est-à-dire qu’il perd son état d’origine.
Lorsqu’une pièce de monnaie s’arrête, cela peut servir d’analogie pour une mesure quantique, dans laquelle l’un des deux états du qubit est sélectionné. Dans l’informatique quantique, différents qubits doivent être liés entre eux, par exemple les états 0 (1) d’un qubit doivent être corrélés de manière unique avec les états 0 (1) d’un autre qubit. Lorsque les états quantiques de deux objets ou plus deviennent corrélés, on parle d’intrication quantique.
Le défi de l’intrication quantique
La principale difficulté de l’informatique quantique réside dans le fait que les qubits sont entourés d’un environnement et interagissent avec lui. Cette interaction peut provoquer une dégradation de l’intrication quantique des qubits, entraînant leur désenchevêtrement les uns des autres.
Une analogie avec deux pièces peut aider à comprendre ce concept. Si deux pièces identiques sont lancées simultanément puis arrêtées après une brève période, elles peuvent toutes deux se retrouver avec la même face visible, soit face, soit face. Cette synchronicité entre les pièces en rotation peut être comparée à l’intrication quantique. Cependant, si les pièces continuent de tourner pendant une durée plus longue, elles finiront par perdre leur synchronicité et ne se retrouveront plus avec la même face (pile ou face) tournée vers le haut.
La perte de synchronicité se produit parce que les pièces en rotation perdent progressivement de l’énergie, principalement à cause du frottement avec la table, et chaque pièce le fait d’une manière unique. Dans le monde quantique, la friction, ou la perte d’énergie due à l’interaction avec l’environnement, conduit finalement à une décohérence quantique, c’est-à-dire une perte de synchronicité entre les qubits. Cela entraîne un déphasage des qubits, où la phase de l’état quantique (représentée par l’angle de rotation de la pièce) change de manière aléatoire au fil du temps, provoquant une perte d’informations quantiques et rendant l’informatique quantique impossible.
L’identification d’une représentation efficace est entièrement automatique et ne repose sur aucune approximation ou hypothèse a priori. Crédit : Alexeï Vagov
Cohérence et dynamique quantiques
L’un des principaux défis auxquels sont confrontés de nombreux chercheurs aujourd’hui est de préserver la cohérence quantique sur des périodes plus longues. Ceci peut être réalisé en décrivant avec précision l’évolution de l’état quantique au fil du temps, également connue sous le nom de dynamique quantique.
Des scientifiques du Centre MIEM HSE pour les métamatériaux quantiques, en collaboration avec des collègues allemands et britanniques, ont proposé un algorithme appelé Compression automatique des environnements arbitraires (ACE) comme solution pour étudier l’interaction des qubits avec leur environnement et les changements qui en résultent. leur état quantique au fil du temps.
Aperçu de la dynamique quantique
« Le nombre presque infini de modes de vibration ou de degrés de liberté dans l’environnement rend le calcul de la dynamique quantique particulièrement difficile. En fait, cette tâche implique de calculer la dynamique d’un seul système quantique alors qu’il est entouré de milliers de milliards d’autres. Le calcul direct est impossible dans ce cas, car aucun ordinateur ne peut le gérer.
Cependant, tous les changements environnementaux n’ont pas la même importance : ceux qui se produisent à une distance suffisante de notre système quantique sont incapables d’affecter sa dynamique de manière majeure. La division en degrés de liberté environnementaux « pertinents » et « non pertinents » est à la base de notre méthode », explique Alexei Vagov, co-auteur de l’article et directeur du Centre MIEM HSE pour les métamatériaux quantiques.
Interprétation de Feynman et algorithme ACE
Selon l’interprétation de la mécanique quantique proposée par le célèbre physicien américain Richard Feynman, calculer l’état quantique d’un système implique de calculer la somme de toutes les manières possibles d’atteindre cet état. Cette interprétation suppose qu’une particule (système) quantique peut se déplacer dans toutes les directions possibles, y compris vers l’avant ou vers l’arrière, vers la droite ou la gauche, et même remonter dans le temps. Les probabilités quantiques de toutes ces trajectoires doivent être additionnées pour calculer l’état final de la particule.
« Le problème est qu’il y a trop de trajectoires possibles, même pour une seule particule, sans parler de l’environnement tout entier. Notre algorithme permet de considérer uniquement les trajectoires qui contribuent significativement à la dynamique du qubit tout en écartant celles dont la contribution est négligeable. Dans notre méthode, l’évolution d’un qubit et de son environnement est capturée par des tenseurs, qui sont des matrices ou des tableaux de nombres qui décrivent l’état de l’ensemble du système à différents moments. Nous sélectionnons ensuite uniquement les parties des tenseurs qui sont pertinentes pour la dynamique du système », explique Alexei Vagov.
Conclusion : implications de l’algorithme ACE
Les chercheurs soulignent que l’algorithme de compression automatisée des environnements arbitraires est accessible au public et implémenté sous forme de code informatique. Selon les auteurs, cela ouvre des possibilités entièrement nouvelles pour le calcul précis de la dynamique de plusieurs systèmes quantiques. Cette méthode permet notamment d’estimer le temps jusqu’à l’enchevêtrement photon les paires dans les lignes téléphoniques quantiques se démêleront, la distance à laquelle une particule quantique peut être « téléportée » ou le temps qu’il faut pour que les qubits d’un ordinateur quantique perdent leur cohérence.
