Une nouvelle méthode pour prédire le comportement des dispositifs quantiques fournit un outil crucial pour les applications réelles de la technologie quantique

Dans une étude publiée dans Lettres d’examen physique, des chercheurs de l’Université Aalto en Finlande et de l’Université IAS Tsinghua en Chine rapportent une nouvelle façon de prédire comment les systèmes quantiques, tels que les groupes de particules, se comportent lorsqu’ils sont connectés à l’environnement extérieur. Habituellement, connecter un système tel qu’un ordinateur quantique à son environnement crée une décohérence et des fuites, qui ruinent toute information sur ce qui se passe à l’intérieur du système. Maintenant, les chercheurs ont développé une technique qui transforme ce problème en solution.

La recherche a été menée par le chercheur doctorant Aalto Guangze Chen sous la supervision du professeur Jose Lado et en collaboration avec Fei Song de l’IAS Tsinghua. Leur approche combine des techniques de deux domaines, la physique quantique à plusieurs corps et la physique quantique non hermitienne.

Protection contre la décohérence et les fuites

L’un des phénomènes les plus intrigants et les plus puissants des systèmes quantiques est la corrélation quantique à plusieurs corps. Il est essentiel de les comprendre et de prédire leur comportement, car ils sous-tendent les propriétés exotiques des composants clés des ordinateurs quantiques et des capteurs quantiques. Alors que de nombreux progrès ont été réalisés dans la prédiction des corrélations quantiques lorsque la matière est isolée de son environnement, le faire lorsque la matière est couplée à son environnement a jusqu’à présent échappé aux scientifiques.

Dans la nouvelle étude, l’équipe a montré que la connexion d’un appareil quantique à un système externe peut être une force dans les bonnes circonstances. Lorsqu’un dispositif quantique est hôte d’une topologie dite non hermitienne, il conduit à des excitations quantiques robustement protégées dont la résilience provient du fait même qu’elles sont ouvertes sur l’environnement. Ces types de systèmes quantiques ouverts peuvent potentiellement conduire à de nouvelles stratégies perturbatrices pour les technologies quantiques qui exploitent le couplage externe pour protéger les informations de la décohérence et des fuites.

Des conditions idéales au monde réel

L’étude établit une nouvelle méthode théorique pour calculer les corrélations entre les particules quantiques lorsqu’elles sont couplées à leur environnement. «La méthode que nous avons développée nous permet de résoudre des problèmes quantiques corrélés qui présentent simultanément la dissipation et les interactions quantiques à plusieurs corps. Comme preuve de concept, nous avons démontré la méthodologie pour les systèmes avec 24 qubits en interaction présentant des excitations topologiques», explique Chen.

Le professeur Lado explique que leur approche aidera à faire passer la recherche quantique des conditions idéalisées aux applications du monde réel. «La prédiction du comportement de la matière quantique corrélée est l’un des problèmes critiques de la conception théorique des matériaux et dispositifs quantiques. Cependant, la difficulté de ce problème devient beaucoup plus grande lorsque l’on considère des situations réalistes dans lesquelles des systèmes quantiques sont couplés à un environnement extérieur. Nos résultats représentent un pas en avant dans la résolution de ce problème, en fournissant une méthodologie pour comprendre et prédire à la fois les matériaux et les dispositifs quantiques dans des conditions réalistes dans les technologies quantiques», déclare-t-il.