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Les recuits quantiques dévoilent les mystères des systèmes à plusieurs corps

SciTechDaily

Rendu artistique d'une simulation quantique de 1T-TaS2 réalisée sur l'unité de traitement quantique d'un recuit quantique. Crédit : Institut Jozef Stefan / Jaka Vodeb et Yevhenii Vaskivskyi, édité

Les scientifiques ont utilisé un recuit quantique pour simuler efficacement des matériaux quantiques, marquant ainsi une évolution cruciale dans l'application l'informatique quantique en science des matériaux et en améliorant les performances des dispositifs de mémoire quantique.

Les physiciens poursuivent depuis longtemps l’idée de simuler des particules quantiques avec un ordinateur lui-même constitué de particules quantiques. C’est exactement ce qu’ont fait des scientifiques du Forschungszentrum Jülich en collaboration avec des collègues slovènes. Ils ont utilisé un recuit quantique pour modéliser un matériau quantique réel et ont montré que le recuit quantique peut refléter directement les interactions microscopiques des électrons dans le matériau. Le résultat est une avancée significative dans le domaine, démontrant l’applicabilité pratique de l’informatique quantique à la résolution de problèmes complexes liés à la science des matériaux. En outre, les chercheurs ont découvert des facteurs susceptibles d’améliorer la durabilité et l’efficacité énergétique des dispositifs de mémoire quantique.

L'héritage de Richard Feynman dans le domaine de l'informatique quantique

Au début des années 1980, Richard Feynman se demandait s’il était possible de modéliser la nature avec précision à l’aide d’un ordinateur classique. Sa réponse fut : non. Le monde est constitué de particules fondamentales, décrites par les principes de la physique quantique. La croissance exponentielle des variables à inclure dans les calculs pousse même les supercalculateurs les plus puissants à leurs limites. Feynman proposa plutôt d’utiliser un ordinateur lui-même composé de particules quantiques. Avec sa vision, Feynman est considéré par beaucoup comme le père de l’informatique quantique.

Les scientifiques du Forschungszentrum Jülich, en collaboration avec des collègues d'institutions slovènes, ont désormais montré que cette vision pouvait réellement être mise en pratique. L’application qu’ils étudient est ce qu’on appelle un système à plusieurs corps. De tels systèmes décrivent le comportement d’un grand nombre de particules qui interagissent entre elles. Dans le contexte de la physique quantique, ils contribuent à expliquer des phénomènes tels que la supraconductivité ou les transitions de phase quantique à zéro absolu. À une température de 0 Kelvin, au lieu de fluctuations thermiques, seules des fluctuations quantiques se produisent lorsqu'un paramètre physique tel que le champ magnétique change.

Recuit quantique à ondes D JUPSI

D-Wave Quantum Annealer JUPSI au Forschungszentrum Jülich. Crédit : Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau

Défis et techniques de la recherche sur les matériaux quantiques

« L’un des défis de la recherche sur les matériaux quantiques est de mesurer et de modéliser quantitativement les transitions de phase des systèmes à plusieurs corps », explique Dragan Mihailović de l’Institut Jožef Stefan en Slovénie. Dans cette étude, les scientifiques ont étudié le matériau quantique 1T-TaS2qui est utilisé dans un large éventail d'applications, notamment l'électronique supraconductrice et les dispositifs de stockage économes en énergie.

Jaka Vodeb du Jülich Supercomputing Center décrit l'approche : « Nous avons placé le système dans un état de non-équilibre et observé comment les électrons du réseau à l'état solide se réorganisent après une transition de phase hors équilibre, à la fois expérimentalement et par le biais de simulations. »

Tous les calculs ont été effectués à l'aide du recuit quantique de la société D-Wave, intégré à l'infrastructure unifiée de Jülich pour l'informatique quantique, JUNIQ.

Faire progresser la technologie et l’efficacité quantiques

Les chercheurs ont réussi à modéliser le passage d'une dynamique régie par la température à une dynamique dominée par des fluctuations quantiques bruyantes. De plus, les scientifiques ont démontré que les interconnexions de qubits du recuit quantique peuvent refléter directement les interactions microscopiques entre les électrons d'un matériau quantique. Un seul paramètre du recuit quantique doit être modifié. Le résultat correspond étroitement aux résultats expérimentaux.

Toutefois, la recherche a également des applications pratiques. Par exemple, une compréhension plus approfondie du 1T-TaS2Les dispositifs de mémoire basés sur la technologie quantique peuvent conduire à un dispositif de mémoire quantique pratique, implémenté directement sur une unité de traitement quantique (QPU). De tels dispositifs peuvent contribuer au développement d'appareils électroniques économes en énergie, réduisant ainsi considérablement la consommation d'énergie des systèmes informatiques.

Impact et applications des recuits quantiques

La recherche met en évidence le potentiel des recuits quantiques dans la résolution de problèmes pratiques, ouvrant la voie à leur application plus large dans divers domaines tels que la cryptographie, la science des matériaux et les simulations de systèmes complexes. De plus, les résultats ont des implications directes pour le développement de dispositifs de mémoire quantique économes en énergie.

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