Un ensemble de 15 000 qubits fabriqués à partir de phosphore et de silicium offre une plateforme d'une ampleur sans précédent pour simuler des matériaux quantiques tels que des conducteurs électriques parfaits.
Représentation artistique des qubits dans le simulateur Quantum Twins
Un simulateur quantique d’une taille sans précédent pourrait faire la lumière sur le fonctionnement de matériaux quantiques exotiques et potentiellement utiles et nous aider à les optimiser à l’avenir.
Les ordinateurs quantiques pourraient éventuellement exploiter les phénomènes quantiques pour effectuer des calculs impossibles à réaliser pour les meilleurs ordinateurs conventionnels du monde. De même, un simulateur exploitant les phénomènes quantiques pourrait aider les chercheurs à modéliser avec précision des matériaux ou des molécules mal compris.
Cela est particulièrement vrai pour les matériaux tels que les supraconducteurs, qui conduisent l’électricité avec une efficacité presque parfaite, car ils tirent cette propriété d’effets quantiques qui pourraient être directement mis en œuvre sur des simulateurs quantiques mais nécessiteraient davantage d’étapes de traduction mathématique sur des appareils conventionnels.
Michelle Simmons de Silicon Quantum Computing en Australie et ses collègues ont créé le plus grand simulateur quantique pour matériaux quantiques à ce jour, appelé Quantum Twins. « L’échelle et la contrôlabilité que nous avons obtenues avec ces simulateurs signifient que nous sommes désormais prêts à résoudre des problèmes très intéressants », dit-elle. « Nous concevons de nouveaux matériaux d'une manière jusqu'alors inimaginable en construisant littéralement leurs analogues atome par atome. »
Les chercheurs ont construit plusieurs simulateurs en intégrant des atomes de phosphore dans des puces de silicium. Chaque atome est devenu un bit quantique, ou qubit, qui est l'élément de base des ordinateurs et simulateurs quantiques, et l'équipe a pu organiser avec précision les qubits dans différentes grilles qui imitent la disposition des atomes dans des matériaux réels. Chaque itération de Quantum Twins était composée d’une grille carrée de 15 000 qubits – plus que n’importe quel simulateur quantique précédent. Des réseaux de qubits similaires ont déjà été créés à partir, par exemple, de plusieurs milliers d’atomes extrêmement froids.
Grâce à ce processus de structuration et en ajoutant des composants électroniques à chaque puce, les chercheurs ont également contrôlé les propriétés des électrons dans la puce. Cela imitait le contrôle des électrons dans des matériaux simulés, ce qui est crucial pour comprendre, par exemple, le flux d'électricité à l'intérieur de ceux-ci. Par exemple, les chercheurs pourraient déterminer la difficulté d’ajouter un électron à n’importe quel point de la grille ou la difficulté pour un électron de « sauter » entre deux points.
Simmons affirme que les ordinateurs conventionnels ont du mal à simuler de grands systèmes bidimensionnels, ainsi que certaines combinaisons de propriétés des électrons, mais les simulateurs Quantum Twins se sont révélés prometteurs dans ces cas. Elle et son équipe ont testé leurs puces en simulant une transition entre le comportement métallique (ou conducteur) et isolant d'un célèbre modèle mathématique montrant comment la « saleté » présente dans un matériau peut affecter sa capacité à supporter des courants électriques. Ils ont également mesuré le « coefficient de Hall » du système en fonction de la température, qui reflète le comportement du matériau simulé lorsqu'il est exposé à des champs magnétiques.
La taille des dispositifs utilisés dans l'expérience et la capacité de l'équipe à contrôler les variables signifient que les simulateurs Quantum Twins pourraient ensuite s'attaquer aux supraconducteurs non conventionnels, explique Simmons. Le fonctionnement des supraconducteurs conventionnels au niveau de leurs électrons est relativement bien compris, mais ils doivent être rendus extrêmement froids ou soumis à une pression énorme pour être supraconducteurs, ce qui n'est pas pratique. Certains supraconducteurs peuvent fonctionner dans des conditions plus douces, mais pour les concevoir pour fonctionner à température et pression ambiantes, les chercheurs doivent les comprendre de manière plus microscopique – le genre de compréhension que les simulateurs quantiques pourraient offrir à l’avenir.
De plus, Quantum Twins pourrait être utilisé pour étudier les interfaces entre différents métaux et molécules similaires au polyacétylène qui pourraient être utiles pour le développement de médicaments ou de dispositifs de photosynthèse artificielle, explique Simmons.
