Les ordinateurs quantiques promettent de surpasser les ordinateurs traditionnels d'aujourd'hui dans de nombreux domaines de la science, y compris la chimie, la physique et la cryptographie, mais prouver qu'ils seront supérieurs ont été difficiles. Le problème le plus connu dans lequel les ordinateurs quantiques devraient avoir l'avantage, un physiciste des traits appelle «avantage quantique», implique de prendre en compte de grands nombres, un problème de mathématiques dur qui est à l'origine de la sécurisation des informations numériques.
En 1994, l'ancien de Caltech, Peter Shor (BS '81), alors chez Bell Labs, a développé un algorithme quantique qui prendrait facilement en compte un grand nombre en quelques secondes, tandis que ce type de problème pourrait prendre un ordinateur classique des millions d'années. En fin de compte, lorsque les ordinateurs quantiques sont prêts et fonctionnent – un objectif qui, selon les chercheurs, peut être encore une décennie ou plus – ces machines seront en mesure de prendre rapidement en compte le nombre de grands nombres derrière les schémas de cryptographie.
Mais, outre l'algorithme de Shor, les chercheurs ont eu du mal à poser des problèmes où les ordinateurs quantiques auront un avantage éprouvé. Maintenant, reportant dans un récent Physique de la nature L'étude intitulée «Minma local dans les systèmes quantiques», une équipe de chercheurs dirigée par Caltech a identifié un problème de physique commun que ces machines futuristes excellent à résoudre. Le problème concerne la simulation de la façon dont les matériaux se refroidissent à leurs états d'énergie la moins basse.
« Dans la nature, nous pouvons mettre un matériau dans un réfrigérateur pour le refroidir à son état d'énergie la moins basse », explique John Preskill, professeur de physique théorique de Richard P. Feynman, le président de l'Institut de Caltech pour l'information et de la matière quantum (QIMIM), et un élaboration amazon du Caltech pour le calcul quanmum basé sur Caltech. « Mais la modélisation de la façon dont cela se produit est difficile pour un ordinateur quantique et encore plus difficile pour un ordinateur classique. »
Dans la nouvelle étude, l'équipe a formulé un algorithme quantique (un ensemble d'instructions informatiques) qui peuvent être utilisées en théorie pour trouver des états à faible énergie – ce que les physiciens appellent des minima locaux – de tout matériau. Leur étude prouve théoriquement que l'algorithme fonctionnera beaucoup mieux que ses homologues classiques.
« Il s'agit d'une nouvelle façon de tester l'avantage quantique », explique le co-auteur Hsin-Yuan (Robert) Huang (Ph.D. '24), un chercheur principal de Google Quantum AI qui a rejoint la faculté Caltech début avril en tant que professeur adjoint de physique théorique. « Il existe quelques autres façons de tester l'avantage quantique en plus de l'algorithme de Shor, mais il n'est pas clair à quel point ils sont pratiques. Ici, nous avons un test adapté à une large famille de domaines de physique qui comprend la science des matériaux, la physique de la matière condensée, la physique à haute énergie et la chimie. »
Les chercheurs veulent trouver les états de matériaux les plus faibles, ou les plus stables, pour faire des prédictions sur la façon dont les matériaux se comporteront. Les chimistes, par exemple, utiliseraient des ordinateurs pour calculer les états d'énergie locale du minimum local d'une molécule lors de l'évaluation pour les applications pharmaceutiques. Les modèles informatiques seraient utilisés pour prédire comment la molécule se liera à sa cible biologique, accélérant le processus de découverte de médicaments.
L'état d'un matériau très faible en énergie est appelé son état fondamental. Lorsque vous refroidissez un matériau dans un réfrigérateur, il atteindra des plateaux à basse énergie le long du chemin, avant qu'il n'atteigne l'état fondamental. « C'est comme faire de la randonnée en descente et essayer de trouver le point le plus bas. Vous pourriez vous arrêter dans un plateau plat en descendant, un minimum local », explique Preskill. « Pour les ordinateurs classiques, trouver ces minima locaux peut être un problème vraiment difficile. »
Les ordinateurs classiques « sont coincés dans ce qu'ils pensent être un minimum local, mais ce n'est pas le cas », explique Huang. « C'est comme si l'ordinateur classique pensait qu'il est aussi faible que possible et ne pouvait pas aller plus loin pour trouver un véritable minimum local. »
Les ordinateurs quantiques – qui sont basés sur des propriétés bizarres du monde subatomique telles que l'intrication et la superposition – sont mieux dans des problèmes comme celui-ci. Comme c'est le cas avec les nombres privilégiés, ils ont la possibilité de tester les options inaccessibles aux ordinateurs classiques. « Les ordinateurs quantiques ne seront pas coincés sur ces plateaux fictifs à faible énergie imaginés par des ordinateurs classiques et peuvent trouver des moyens d'aller plus loin », explique Huang. « Ils sont meilleurs pour naviguer dans le paysage énergétique. »
Le co-auteur Chi-Fang (Anthony) Chen, un ancien étudiant diplômé travaillant avec Fernando Brandão, professeur de physique théorique de Bren chez Caltech et directeur des sciences appliquées au Centre AWS Center for Quantum Computing, avait auparavant développé des algorithmes quantiques pour accélérer les galeries locales pour les matériaux. Dans cette nouvelle étude, l'équipe est allée plus loin pour adapter un algorithme de manière à prouver définitivement qu'il fonctionne mieux que les algorithmes classiques.
« Cet article consiste à construire une classe bien motivée de problèmes de physique là où il y a un avantage quantique », explique Preskill. « Les ordinateurs quantiques ne sont pas prêts à l'emploi aujourd'hui, mais c'est un domaine où ils feront de meilleures prédictions. »
Dans une œuvre connexe également publiée dans Physique de la natureintitulé « Ordre magnétique caché dans le temps dans un isolant Mott multi-orbital », David Hsieh, professeur de physique de Donald A. Glaser de Caltech, ainsi que Gil Refael, le professeur de physique théorique de Taylor W. Lawrence, et leurs collègues montrent comment le minima local peut être expérimentalement accessible de l'état fondamental. En tant que plate-forme de démonstration, ils ont utilisé un cristal de CA2Ruo4dont l'état fondamental présente des tours d'électrons qui sont alignés antiparallèles d'un site de réseau à l'autre.
En stimulant le cristal avec une explosion ultra-terrible de lumière qui dure moins d'un picoseconde, les chercheurs ont pu exciter le matériau dans un minimum d'énergie locale dans lequel les spins sont alignés de manière parallèle entre les sites. Cet état aligné parallèle persiste bien au-delà des microsecondes, indiquant que le système est piégé de manière stable dans le minimum local.
Selon Preskill, « avoir un moyen de calculer et d'accéder expérimentalement aux minima locaux en conduisant les systèmes loin de l'équilibre thermique pourrait être un moyen de transformer les propriétés des matériaux quantiques à la demande ».
