Les chercheurs du MIT ont réussi à contrôler le caractère aléatoire quantique en utilisant les « fluctuations du vide », introduisant une avancée majeure dans le calcul probabiliste avec des applications potentiellement très vastes.
Une étude révolutionnaire démontre le contrôle des fluctuations quantiques, ouvrant ainsi le potentiel du calcul probabiliste et de la détection de champ ultra-précise.
Une équipe de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) a franchi une étape importante dans les technologies quantiques, démontrant pour la première fois le contrôle du caractère aléatoire quantique.
L’équipe de chercheurs s’est concentrée sur une caractéristique unique de la physique quantique connue sous le nom de « fluctuations du vide ». Vous pourriez considérer le vide comme un espace complètement vide, sans matière ni lumière. Cependant, dans le monde quantique, même cet espace « vide » connaît des fluctuations ou des changements. Imaginez une mer calme qui subit soudainement des vagues – c’est similaire à ce qui se passe dans le vide au niveau quantique. Auparavant, ces fluctuations permettaient aux scientifiques de générer des nombres aléatoires. Ils sont également responsables de nombreux phénomènes fascinants découverts par les scientifiques quantiques au cours des cent dernières années.
Configuration expérimentale pour générer des nombres aléatoires réglables à partir des fluctuations du vide. Crédits : Charles Roques-Carmes, Yannick Salamin
Les résultats ont été décrits récemment dans la revue Science, dans un article dirigé par Charles Roques-Carmes et Yannick Salamin, associés postdoctoraux au MIT ; les professeurs Marin Soljačić et John Joannopoulos du MIT ; et collègues.
L’informatique sous un nouveau jour
Traditionnellement, les ordinateurs fonctionnent de manière déterministe, exécutant des instructions étape par étape qui suivent un ensemble de règles et d’algorithmes prédéfinis. Dans ce paradigme, si vous exécutez la même opération plusieurs fois, vous obtenez toujours exactement le même résultat. Cette approche déterministe a alimenté notre ère numérique, mais elle a ses limites, notamment lorsqu’il s’agit de simuler le monde physique ou d’optimiser des systèmes complexes, tâches qui impliquent souvent de grandes quantités d’incertitude et de hasard.
Illustration artistique de la génération de nombres aléatoires accordables à partir du vide quantique. Crédit : Lei Chen
C’est là qu’intervient le concept de calcul probabiliste. Les systèmes informatiques probabilistes exploitent le caractère aléatoire intrinsèque de certains processus pour effectuer des calculs. Ils ne fournissent pas seulement une seule « bonne » réponse, mais plutôt une gamme de résultats possibles, chacun avec sa probabilité associée. Cela les rend intrinsèquement bien adaptés pour simuler des phénomènes physiques et résoudre des problèmes d’optimisation pour lesquels plusieurs solutions pourraient exister et où l’exploration de diverses possibilités peut conduire à une meilleure solution.
Le Dr Charles Roques-Carmes, l’un des principaux auteurs des travaux, exploite le système expérimental. Crédit : Anthony Tulliani
Surmonter les défis quantiques
Cependant, la mise en œuvre pratique du calcul probabiliste a été historiquement entravée par un obstacle important : le manque de contrôle sur les distributions de probabilité associées au hasard quantique. Cependant, les recherches menées par l’équipe du MIT ont mis en lumière une solution possible.
Plus précisément, les chercheurs ont montré que l’injection d’un faible « biais » laser dans un oscillateur paramétrique optique, un système optique qui génère naturellement des nombres aléatoires, peut servir de source contrôlable de caractère aléatoire quantique « biaisé ».
« Malgré une étude approfondie de ces systèmes quantiques, l’influence d’un champ de biais très faible était inexplorée », remarque Charles Roques-Carmes, chercheur dans l’étude. « Notre découverte du caractère aléatoire quantique contrôlable nous permet non seulement de revisiter des concepts vieux de plusieurs décennies en optique quantique, mais ouvre également un potentiel en matière de calcul probabiliste et de détection de champ ultra-précise. »
L’équipe a démontré avec succès sa capacité à manipuler les probabilités associées aux états de sortie d’un oscillateur paramétrique optique, créant ainsi le tout premier bit probabiliste photonique contrôlable (bit p). De plus, le système a montré une sensibilité aux oscillations temporelles des impulsions de champ de polarisation, même bien en dessous de la valeur unique. photon niveau.
Le Dr Yannick Salamin, l’un des principaux auteurs des travaux, exploite le système expérimental. Crédit : Allyson Mac Basino
Implications et perspectives futures
Yannick Salamin, un autre membre de l’équipe, remarque : « Notre système de génération photonique de p-bits permet actuellement de produire 10 000 bits par seconde, chacun pouvant suivre une distribution binomiale arbitraire. Nous prévoyons que cette technologie évoluera au cours des prochaines années, conduisant à des bits p photoniques à débit plus élevé et à une gamme d’applications plus large.
Le professeur Marin Soljačić du MIT souligne les implications plus larges de ces travaux : « En faisant des fluctuations du vide un élément contrôlable, nous repoussons les limites de ce qui est possible dans le calcul probabiliste quantique amélioré. La perspective de simuler des dynamiques complexes dans des domaines tels que l’optimisation combinatoire et les simulations de chromodynamique quantique sur réseau est très excitante.
