Les physiciens quantiques ont simulé la super diffusion dans des particules quantiques sur un ordinateur quantique, ouvrant ainsi la voie à des connaissances plus approfondies sur la physique de la matière condensée et la science des matériaux. Cette réalisation, réalisée sur un système de 27 qubits programmé à distance depuis Dublin, souligne le potentiel de l’informatique quantique dans les recherches commerciales et fondamentales en physique.
Les physiciens quantiques de Trinity, en collaboration avec IBM Dublin, ont réussi à simuler la super diffusion dans un système de particules quantiques en interaction sur un ordinateur quantique.
Il s’agit de la première étape dans la réalisation de calculs de transport quantique très complexes sur du matériel quantique et, à mesure que le matériel s’améliore au fil du temps, ces travaux promettent d’apporter un nouvel éclairage à la physique de la matière condensée et à la science des matériaux.
Ce travail est l’un des premiers résultats du programme de bourses prédoctorales TCD-IBM qui a été récemment créé dans le cadre duquel IBM embauche des doctorants en tant qu’employés tout en étant co-supervisés à Trinity. L’article a été publié récemment dans la principale revue Nature Informations quantiques NPJ.
IBM est un leader mondial dans le domaine passionnant du calcul quantique. L’ordinateur quantique initial utilisé dans cette étude se compose de 27 qubits supraconducteurs (les qubits sont les éléments constitutifs de la logique quantique) et est physiquement situé dans le laboratoire d’IBM à Yorktown Heights à New York et programmé à distance depuis Dublin.
L’informatique quantique est actuellement l’une des technologies les plus passionnantes et devrait se rapprocher des applications commerciales au cours de la prochaine décennie. Outre les applications commerciales, il existe des questions fondamentales fascinantes pour lesquelles les ordinateurs quantiques peuvent aider. L’équipe de Trinity et d’IBM Dublin s’est penchée sur l’une de ces questions concernant la simulation quantique.
Expliquant l’importance du travail et l’idée de la simulation quantique en général, le professeur John Goold de Trinity, directeur de la Trinity Quantum Alliance nouvellement créée, qui a dirigé la recherche, explique :
« D’une manière générale, le problème de la simulation de la dynamique d’un système quantique complexe comportant de nombreux constituants en interaction constitue un formidable défi pour les ordinateurs conventionnels. Considérez les 27 qubits de cet appareil particulier. En mécanique quantique, l’état d’un tel système est décrit mathématiquement par un objet appelé fonction d’onde. Afin d’utiliser un ordinateur standard pour décrire cet objet, vous avez besoin de stocker un grand nombre de coefficients en mémoire et les demandes évoluent de manière exponentielle avec le nombre de qubits ; environ 134 millions de coefficients, dans le cas de cette simulation.
« À mesure que vous développez le système jusqu’à, disons, 300 qubits, vous aurez besoin de plus de coefficients qu’il n’y a d’atomes dans l’univers observable pour décrire un tel système et aucun ordinateur classique ne sera capable de capturer exactement l’état du système. En d’autres termes, nous nous heurtons à un mur lors de la simulation de systèmes quantiques. L’idée d’utiliser des systèmes quantiques pour simuler la dynamique quantique remonte au physicien américain Richard Feynman, lauréat du prix Nobel, qui a proposé que les systèmes quantiques soient mieux simulés à l’aide de systèmes quantiques. La raison est simple : vous exploitez naturellement le fait que l’ordinateur quantique est décrit par une fonction d’onde, évitant ainsi le besoin de ressources classiques exponentielles pour le stockage de l’état.
Alors, qu’est-ce que l’équipe a simulé exactement ? Le professeur Goold poursuit :
« Certains des systèmes quantiques non triviaux les plus simples sont les chaînes de spin. Ce sont des systèmes de petits aimants connectés appelés spins, qui imitent des matériaux plus complexes et sont utilisés pour comprendre le magnétisme. Nous nous sommes intéressés à un modèle appelé chaîne de Heisenberg et nous nous sommes particulièrement intéressés au comportement à long terme de la manière dont les excitations de spin sont transportées à travers le système. Dans cette longue limite de temps, les systèmes quantiques à N corps entrent dans un régime hydrodynamique et le transport est décrit par des équations qui décrivent les fluides classiques.
« Nous nous intéressions à un régime particulier dans lequel quelque chose appelé super-diffusion se produit en raison de la physique sous-jacente régie par ce qu’on appelle l’équation de Kardar-Parisi-Zhang. Il s’agit d’une équation qui décrit généralement la croissance stochastique d’une surface ou d’une interface, comme la façon dont la hauteur de la neige augmente pendant une tempête de neige, la façon dont la tache d’une tasse de café sur un tissu se développe avec le temps ou la façon dont un feu de peluches se développe. La propagation est connue pour donner un transport superdiffusif. Il s’agit d’un transport qui devient plus rapide à mesure que vous augmentez la taille du système. Il est étonnant que les mêmes équations qui régissent ces phénomènes apparaissent dans la dynamique quantique et nous avons pu utiliser l’ordinateur quantique pour le vérifier. C’était la principale réalisation du travail.
Nathan Keenan, chercheur prédoctoral chez IBM-Trinity, qui a programmé l’appareil dans le cadre du projet, nous parle de certains des défis liés à la programmation d’ordinateurs quantiques.
« Le plus gros problème avec la programmation des ordinateurs quantiques est d’effectuer des calculs utiles en présence de bruit », a-t-il déclaré. « Les opérations effectuées au niveau de la puce sont imparfaites et l’ordinateur est très sensible aux perturbations provenant de son environnement de laboratoire. Par conséquent, vous souhaitez minimiser la durée d’exécution d’un programme utile, car cela réduira le temps pendant lequel ces erreurs et perturbations peuvent se produire et affecter votre résultat.
Juan Bernabé-Moreno, directeur d’IBM Research UK & Ireland, a déclaré :
« IBM a une longue histoire de progrès l’informatique quantique technologie, non seulement en apportant des décennies de recherche, mais également en fournissant le programme et l’écosystème quantiques commerciaux les plus vastes et les plus étendus. Notre collaboration avec le Trinity College de Dublin, à travers le programme de maîtrise en sciences et technologies quantiques et en doctorat, en est un exemple et je suis ravi qu’elle donne déjà des résultats prometteurs.
Alors que le monde entre dans une nouvelle ère de simulation quantique, il est rassurant de savoir que les physiciens quantiques de Trinity sont à l’avant-garde dans la programmation des appareils du futur. La simulation quantique est un pilier central de la recherche dans la nouvelle Trinity Quantum Alliance, fondée et dirigée par le professeur John Goold, qui compte cinq partenaires industriels fondateurs, dont IBM, Microsoft, Algorithmiq, Horizon et Moodys Analytics.
