Grâce à l'ordinateur quantique Helios-1, les chercheurs ont utilisé un nombre record de qubits à l'épreuve des erreurs pour exécuter la première et la plus grande simulation quantique d'un modèle de conductivité parfaite.
La puce informatique quantique Helios-1
Des chercheurs de la société d’informatique quantique Quantinuum ont utilisé un nouvel ordinateur quantique Helios-1 pour simuler un modèle mathématique utilisé depuis longtemps pour étudier la supraconductivité. Ces simulations ne sont pas hors de portée des ordinateurs conventionnels, mais cette avancée ouvre la voie à ce que les ordinateurs quantiques deviennent des outils utiles pour la science des matériaux.
Les supraconducteurs conduisent l’électricité avec une efficacité parfaite, mais ils ne fonctionnent actuellement qu’à des températures trop basses pour être pratiques. Depuis des décennies, les physiciens tentent de comprendre comment modifier leur structure pour les faire fonctionner à température ambiante, et nombreux sont ceux qui pensent que les réponses viendront d'un cadre mathématique appelé modèle de Fermi-Hubbard. Ce potentiel en fait l'un des modèles les plus importants de toute la physique de la matière condensée, explique Henrik Dreyer de Quantinuum.
Les ordinateurs conventionnels peuvent exécuter des simulations exceptionnelles du modèle Fermi-Hubbard, mais ont du mal à gérer des échantillons très volumineux ou des cas dans lesquels les matériaux décrits changent au fil du temps. Les ordinateurs quantiques ont une chance de faire mieux à terme. Aujourd'hui, Dreyer et ses collègues ont exécuté la plus grande simulation du modèle Fermi-Hubbard sur un ordinateur quantique.
Ils ont utilisé Helios-1, qui possède 98 qubits fabriqués à partir d’ions baryum, chacun étant contrôlé par des lasers et des champs électromagnétiques. Pour exécuter une simulation, les chercheurs ont manipulé les qubits à travers une séquence d’états quantiques, puis ont lu le résultat en mesurant leurs propriétés. Leurs simulations incluaient 36 particules appelées fermions, qui sont exactement le type de particule qui existe dans les vrais supraconducteurs et sont mathématiquement décrites par le modèle de Fermi-Hubbard.
Pour qu’un supraconducteur fonctionne, les fermions doivent s’apparier, et des expériences ont montré qu’un tel appariement peut parfois être initié en frappant un matériau avec un laser. L'équipe de Quantinuum a simulé ce scénario : ils ont frappé leurs qubits avec une impulsion laser, puis ont mesuré les états résultants, trouvant des signes d'appariement des particules simulées. La simulation n’a pas reproduit exactement les expériences, mais elle a capturé un processus dynamique, ce qui est difficile pour les méthodes informatiques conventionnelles lorsqu’elles sont appliquées à plus de quelques particules.
Dreyer affirme que la nouvelle expérience ne constitue pas une preuve rigoureuse qu'Helios-1 a un avantage sur toutes les approches informatiques traditionnelles possibles, mais l'exploration des méthodes de simulation classiques a convaincu son équipe qu'un ordinateur quantique pouvait rivaliser. « Pour les méthodes que nous avons essayées, il était impossible d'obtenir les mêmes résultats de manière fiable, nous avons passé quelques heures sur un ordinateur quantique et un gros point d'interrogation sur le côté classique des choses », dit-il. En d’autres termes, les estimations des temps de calcul classiques par l’équipe étaient tellement plus longues qu’il était difficile de dire quand elles seraient comparables aux travaux d’Helios.
Les ions piégés servent de qubits dans la puce Helios-1
D'autres ordinateurs quantiques n'ont pas encore abordé les simulations d'appariement de fermions pour atteindre la supraconductivité, et l'équipe attribue leur succès au matériel d'Helios. David Hayes, également chez Quantinuum, affirme que les qubits d'Helios sont exceptionnellement fiables et excellent dans les tâches d'analyse comparative courantes dans l'industrie de l'informatique quantique. Lors de tests préliminaires, il pourrait également permettre des expériences avec des qubits à l'épreuve des erreurs, notamment en connectant 94 de ces qubits spéciaux par intrication quantique, ce qui constitue un record pour tous les ordinateurs quantiques. L’utilisation de tels qubits dans les simulations futures pourrait les rendre plus précises.
Eduardo Ibarra García Padilla du Harvey Mudd College en Californie affirme que les nouveaux résultats sont prometteurs, mais doivent encore être soigneusement comparés aux simulations informatiques classiques de pointe. Il dit que le modèle Fermi-Hubbard suscite un grand intérêt chez les physiciens depuis les années 1960 et qu'il est donc passionnant de disposer d'un nouvel outil pour l'étudier.
Personne ne peut deviner exactement à quel moment des approches telles que celles utilisées avec Helios-1 deviendront de véritables concurrents des meilleurs ordinateurs conventionnels, car de nombreux autres détails doivent être réglés, explique Steve White de l'Université de Californie à Irvine. Par exemple, il dit qu’il est difficile de s’assurer que la simulation par ordinateur quantique démarre avec le bon ensemble de propriétés de qubit. Pourtant, White affirme que les simulations quantiques pourraient devenir complémentaires des simulations classiques, en particulier pour le comportement dynamique ou changeant des matériaux.
«Ils sont en passe de devenir des outils de simulation utiles dans la matière condensée (physique)», dit-il. « Mais ils n'en sont qu'à leurs débuts et il reste encore des barrières informatiques à venir. »
Référence: arXivDOI : 10.48550/arXiv.2511.02125
