C’est un fait bien connu que les calculs quantiques sont difficiles, mais on pourrait penser que les ordinateurs quantiques faciliteraient le processus. Dans la plupart des cas, c'est vrai.
Les bits quantiques, ou qubits, utilisent des phénomènes quantiques, comme la superposition et l'intrication, pour traiter simultanément de nombreuses possibilités. Cela permet un calcul exponentiellement plus rapide pour des problèmes complexes. Cependant, Thomas Schuster, du California Institute of Technology, et son équipe de recherche ont posé aux ordinateurs quantiques un problème que même eux ne peuvent pas résoudre dans un délai raisonnable : reconnaître les phases de la matière dans des états quantiques inconnus.
Les recherches de l'équipe peuvent être trouvées dans un article publié sur le arXiv serveur de préimpression.
Que sont les phases de la matière dans les états quantiques ?
Dans le monde de tous les jours, faire la distinction entre une phase liquide et une phase gazeuse, par exemple, est assez simple, mais sans surprise, les choses deviennent beaucoup plus compliquées dans le monde quantique. Les phases quantiques de la matière se produisent à température nulle absolue et la mécanique quantique dicte leurs propriétés et leur comportement, qui sont déterminés par les fluctuations quantiques. Les phases quantiques peuvent être classées selon leurs propriétés, telles que les phases topologiques et les phases hors équilibre.
« La mécanique quantique a dévoilé des phases entièrement nouvelles de la matière, notamment un ordre topologique et des phases topologiques protégées par symétrie. La capacité d'identifier et de caractériser ces diverses phases de la matière présente un intérêt fondamental en physique et en sciences de l'information et est cruciale pour faire progresser les technologies quantiques », déclarent les auteurs de l'étude.
Tâches impossibles
Certaines de ces phases, comme l’ordre topologique, sont connues pour être difficiles à reconnaître informatiquement. La longueur (plage) de corrélation, définie comme une mesure de la distance sur laquelle les propriétés d'un système quantique à N corps sont corrélées, semble augmenter cette difficulté de reconnaissance à mesure qu'elle augmente. L'étude démontre que le temps de calcul augmente de façon exponentielle avec la plage de corrélation, représentée par ξ, et devient un super-polynôme de taille de système n lorsque ξ = ω(log n). Cela entraîne des temps de calcul insondables, rendant les calculs pratiquement impossibles à résoudre.
Pour déterminer comment un ordinateur quantique s’en sortirait dans cette tâche, l’équipe a mis au point un scénario mathématique dans lequel un ordinateur quantique reçoit des informations sur l’état quantique d’un objet et doit identifier la phase. Ils ont découvert que la reconnaissance de la phase de la matière est difficile en termes de calcul quantique pour une large classe de phases, y compris les phases topologiques à rupture de symétrie et protégées par symétrie (SPT). Ils ont constaté que cela s’étend même aux phases classiques, ainsi qu’aux états purs et mixtes.
« Au niveau conceptuel, nos résultats doivent être considérés comme le pire des cas : il existe des états classiques et quantiques dont la phase de la matière est définie avec précision, mais est impossible à reconnaître dans toute expérience quantique efficace », écrivent les auteurs de l'étude.
Les implications de l’insolvabilité
Plus tôt cette année, Schuster et ses collègues ont publié un article sur le hasard et les ordinateurs quantiques. Dans l'article, ils ont fait allusion à une signification plus profonde de leurs recherches, en déclarant : « Nos résultats montrent que plusieurs propriétés physiques fondamentales – le temps d'évolution, les phases de la matière et la structure causale – sont probablement difficiles à apprendre par le biais d'expériences quantiques conventionnelles. Cela soulève de profondes questions sur la nature de l'observation physique elle-même.
Cette étude semble tendre à comprendre que certaines propriétés de l’univers ont des limites qui peuvent nous empêcher de les comprendre pleinement. Pourtant, les scientifiques continueront d’essayer. Les travaux futurs qui pourraient s'appuyer sur cette étude pourraient impliquer d'explorer quelles propriétés physiques facilitent la reconnaissance de phase dans la pratique, malgré la dureté la plus défavorable, ou de déterminer si la reconnaissance de phase est réalisable pour les états fondamentaux des hamiltoniens locaux constants.
Écrit pour vous par notre auteur Krystal Kasal, édité par Stephanie Baum, et vérifié et révisé par Robert Egan, cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour maintenir en vie le journalisme scientifique indépendant. Si ce reporting vous intéresse, pensez à faire un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte en guise de remerciement.
