Deux expériences avec différents ordinateurs quantiques montrent leur capacité de croissance à simuler des matériaux et des matières quantiques qui se sont jusqu'à présent prouvées insaisissables dans le laboratoire
Illustration 3D d'un ordinateur quantique
Pour tout le battage médiatique entourant les ordinateurs quantiques, la technologie peut parfois sembler être une solution à la recherche d'un problème. Scientifiquement impressionnant, mais pas encore évidemment utile dans le monde réel. Cependant, la chasse aux applications commence maintenant à donner des résultats – en particulier la poursuite de matériaux quantiques exotiques qui pourraient suralimenter le développement de nouvelles électroniques et de systèmes informatiques encore plus puissants.
Découvrir et sonder de nouvelles phases – c'est-à-dire des équivalents plus exotiques des phases de glace ou liquide de l'eau – est le pain et le beurre de la physique de la matière condensée. Ce domaine nous a aidés à comprendre les semi-conducteurs qui font fonctionner les ordinateurs traditionnels et peuvent éventuellement nous donner des supraconducteurs pratiques, ce qui conduirait l'électricité avec une efficacité parfaite.
Mais il devient de plus en plus difficile d'utiliser des expériences traditionnelles pour étudier certaines des phases les plus complexes que la théorie prédit devrait exister. Par exemple, un cadre théorique connu sous le nom de modèle Kitaev Honeycomb prédit l'existence de matériaux présentant des types de magnétisme inhabituels, ainsi que ceux qui contiennent des quasiparticules inhabituels – des entités de type particules – appelées anyyons. En fait, il y a eu une «quête de plusieurs décennies pour réellement concevoir cela dans des matériaux du monde réel», explique Simon Evered à l'Université Harvard.
Lui et ses collègues ont maintenant simulé cela à l'aide d'un ordinateur quantique qui a 104 qubits fabriqués à partir d'atomes extrêmement froids. Et ils ne sont pas les seuls chercheurs à le faire. Frank Pollmann à l'Université technique de Munich en Allemagne et à ses collègues a utilisé les ordinateurs quantum Sycamore et Willow de Google, qui abritent respectivement 72 et 105 Qubits, pour simuler un état de matière jamais vu auparavant. Les deux équipes ont publié leurs études.
«Ces deux articles utilisent des ordinateurs quantiques pour explorer de nouvelles phases de matière qui n'ont jusqu'à présent été prédites qu'en théorie, mais non réalisées dans des expériences», explique Pet Zapletal à l'Université d'Erlangen-Nuremberg en Allemagne, qui n'a été impliqué dans aucune étude. «Ce qui est excitant, c'est la rapidité avec laquelle les simulations de systèmes de matière quantique et condensés sur les ordinateurs quantiques deviennent plus avancés».
Les deux équipes de recherche ont confirmé la présence de tout le monde dans leurs simulations. Cela en soi montre à la fois la progression des ordinateurs quantiques et leur utilité éventuelle, car les anciens sont des particules exotiques qui sont fondamentalement différentes des qubits et sont donc difficiles à imiter.
Toutes les autres particules existantes se répartissent dans deux autres catégories – les fermions et les bosons. Ceux qui sont les plus intéressants pour les chimistes et les scientifiques des matériaux sont généralement des fermions, mais les qubits ont tendance à être des bosons. Les différences entre les deux, telles que leurs tours ou comment elles se comportent en grands groupes, rend difficile de simuler les fermions si vous commencez avec des bosons, mais l'expérience informatique quantique à atomes froids a utilisé le modèle Kitaev pour combler l'écart. Marcin Kalinowski à l'Université Harvard, qui a travaillé sur cette expérience, dit qu'ils ont utilisé le modèle Kitaev comme une «toile» pour la nouvelle physique – en commençant par ce modèle, lui et ses collègues pourraient pousser les qubits à émerger dans la simulation en réglant les interactions entre les quibits. Il pourrait même être possible d'utiliser certaines de ces nouvelles particules pour simuler plus de nouveaux matériaux, explique Kalinowski.
L'expérience qui a utilisé les ordinateurs de Google comprenait un autre élément important. Il s'est concentré sur la suppression du matériau simulé de l'équilibre – l'équivalent de le trembler constamment. Les phases non équilibrées de la matière sont largement inexplorées même si elles ont des homologues en laboratoire, comme des expériences où un matériau est frappé à plusieurs reprises par la lumière laser, explique Pollmann. De cette façon, le travail de son équipe reflète comment un physicien condensé en laboratoire peut exposer un matériau à des températures froides ou à des champs magnétiques élevés, puis essayer de diagnostiquer comment sa phase a changé. Ces diagnostics sont essentiels car ils peuvent finalement révéler dans quelles circonstances le matériel pourrait être utilisé.
Pour être clair, ces expériences ne mèneront pas immédiatement à quelque chose d'utile. En fait, pour accéder aux applications du monde réel, les chercheurs devront répéter leurs analyses sur des ordinateurs quantiques plus grands et moins sujettes aux erreurs – le genre que nous n'avons toujours pas vraiment. Mais les deux expériences taillent un créneau où les ordinateurs quantiques peuvent explorer la physique et éventuellement conduire à des découvertes de la même manière que les autres outils expérimentaux que les chercheurs sont utilisés depuis des décennies.
Cette science des matériaux peut être le premier lieu que les ordinateurs quantiques prouvent que leur valeur n'est pas un choc. Il est conforme à la façon dont les progéniteurs de l'informatique quantique, comme Richard Feynman, ont parlé de la technologie dans les années 1980, bien avant que quiconque ne sache un seul qubit, sans parler des dizaines. Et il est nettement différent de la façon dont l'informatique quantique est souvent présentée, où l'accent est mis sur les expériences qui présentent des ordinateurs quantiques surpassant les ordinateurs classiques dans les tâches sans rapport avec des applications pratiques.
«La valeur en termes de développement de l'informatique quantique comme approche de la science, plutôt que du point de vue des performances des appareils individuels, est incontestable dans ce type d'expériences», explique Kalinowski.
