Imaginez-vous zoomer sur la matière à l'échelle quantique, où de minuscules particules peuvent interagir dans plus d'un billion de configurations à la fois.
Si cela semble compliqué, c’est pourtant le cas : les physiciens s’appuient souvent sur des superordinateurs ou même sur l’intelligence artificielle pour simuler de tels systèmes quantiques et leurs états possibles.
Mais et si bon nombre de ces problèmes pouvaient être résolus sur un ordinateur portable ordinaire ?
La communauté des physiciens sait que cela est possible depuis des années, mais en faire une réalité a été plus compliqué.
Aujourd’hui, les physiciens de l’Université de Buffalo nous ont beaucoup rapprochés. Ils ont étendu une méthode informatiquement abordable connue sous le nom d’approximation tronquée de Wigner (TWA) – une sorte de raccourci physique qui rend les mathématiques quantiques plus gérables – à des problèmes autrefois considérés comme nécessitant une puissance de calcul massive.
Tout aussi importante, l'approche, décrite dans une étude publiée en septembre dans PRX Quantiquefournit également un modèle TWA pratique et convivial qui permet aux physiciens de se connecter à leur problème et d'obtenir des résultats utilisables en quelques heures.
« Notre approche offre un coût de calcul nettement inférieur et une formulation beaucoup plus simple des équations dynamiques », explique l'auteur correspondant de l'étude, Jamir Marino, Ph.D., professeur adjoint de physique au Collège des Arts et des Sciences de l'UB. « Nous pensons que cette méthode pourrait, dans un avenir proche, devenir le principal outil permettant d'explorer ce type de dynamique quantique sur des ordinateurs grand public. »
Marino, qui a rejoint l'UB cet automne, a mené des travaux sur l'étude à l'Université Johannes Gutenberg de Mayence en Allemagne. Les co-auteurs de l'étude incluent deux de ses étudiants, Hossein Hosseinabadi et Oksana Chelpanova, cette dernière étant maintenant chercheuse postdoctorale dans le laboratoire de Marino à l'UB.
Adopter une approche semi-classique
Tous les systèmes quantiques ne peuvent pas être résolus exactement. Cela ne serait pas pratique, car la puissance de calcul requise augmente de façon exponentielle à mesure que le système devient plus complexe.
Au lieu de cela, les physiciens se tournent souvent vers ce que l'on appelle la physique semi-classique, une approche intermédiaire qui conserve juste assez de comportement quantique pour rester précis, tout en écartant les détails qui ont peu d'effet sur le résultat.
La TWA est l’une de ces approches semi-classiques qui remonte aux années 1970, mais qui se limite à des systèmes quantiques isolés et idéalisés dans lesquels aucune énergie n’est gagnée ou perdue.
L'équipe de Marino a donc étendu TWA aux systèmes les plus compliqués du monde réel, dans lesquels les particules sont constamment poussées et tirées par des forces extérieures et libèrent de l'énergie dans leur environnement, autrement connu sous le nom de dynamique de spin dissipative.
« De nombreux groupes ont essayé de le faire avant nous. On sait que certains systèmes quantiques complexes pourraient être résolus efficacement avec une approche semi-classique », explique Marino. « Cependant, le véritable défi a été de le rendre accessible et facile à réaliser. »
Rendre la dynamique quantique facile
Dans le passé, les chercheurs cherchant à utiliser TWA étaient confrontés à un mur de complexité. Ils ont dû refaire les calculs à partir de zéro chaque fois qu’ils appliquaient la méthode à un nouveau problème quantique.
Ainsi, l’équipe de Marino a transformé ce qui était autrefois des pages de mathématiques denses et presque impénétrables en une table de conversion simple qui traduit un problème quantique en équations résolubles.
« Les physiciens peuvent essentiellement apprendre cette méthode en une journée, et au troisième jour environ, ils résolvent certains des problèmes les plus complexes que nous présentons dans l'étude », explique Chelpanova.
L’espoir est que la nouvelle méthode permettra de sauvegarder les clusters de calcul intensif et les modèles d’IA pour les systèmes quantiques véritablement complexes. Ce sont des systèmes qui ne peuvent être résolus avec une approche semi-classique. Des systèmes avec non seulement un billion d’états possibles, mais plus d’états qu’il n’y a d’atomes dans l’univers.
« Beaucoup de ce qui semble compliqué ne l'est pas en réalité », déclare Marino. « Les physiciens peuvent utiliser les ressources de calcul intensif sur les systèmes qui nécessitent une approche quantique à part entière et résoudre le reste rapidement grâce à notre approche. »
