Des physiciens quantiques simulent la super diffusion sur un ordinateur quantique

Il s’agit de la première étape dans la réalisation de calculs de transport quantique très difficiles sur du matériel quantique et, à mesure que le matériel s’améliore avec le temps, de tels travaux promettent d’apporter un nouvel éclairage à la physique de la matière condensée et à la science des matériaux.

Le travail est l’un des premiers résultats du programme de bourses prédoctorales TCD-IBM qui a été récemment créé où IBM embauche des doctorants en tant qu’employés tout en étant co-supervisé 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 de stade précoce 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. Les applications commerciales mises à part, il existe des questions fondamentales fascinantes auxquelles les ordinateurs quantiques peuvent répondre. L’équipe de Trinity et d’IBM Dublin s’est attaquée à 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 nouvelle Trinity Quantum Alliance, qui a dirigé la recherche, explique :

“D’une manière générale, le problème de la simulation de la dynamique d’un système quantique complexe avec de nombreux constituants en interaction est un formidable défi pour les ordinateurs conventionnels. Considérez les 27 qubits sur cet appareil particulier. En mécanique quantique, l’état d’un tel système est décrit mathématiquement par un objet appelée fonction d’onde. Afin d’utiliser un ordinateur standard pour décrire cet objet, vous avez besoin d’un grand nombre de coefficients à stocker 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 .

“Au fur et à mesure que vous développez le système pour dire 300 qubits, vous auriez 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 quand simulant des 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 le ordinateur quantique est décrit par une fonction d’onde contournant 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 étions intéressés par un modèle appelé la chaîne de Heisenberg et nous étions particulièrement intéressé par le comportement à long terme de la façon dont les excitations de spin sont transportées à travers le système.Dans cette limite de temps long, les systèmes quantiques à plusieurs corps entrent dans un régime hydrodynamique et le transport est décrit par des équations qui décrivent les fluides classiques.

“Nous étions intéressés par un régime particulier où quelque chose appelé super-diffusion se produit en raison de la physique sous-jacente régie par quelque chose appelé 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 comment la hauteur de la neige augmente pendant une tempête de neige, comment la tache d’une tasse de café sur un tissu grandit avec le temps, ou comment un feu de peluches grandit. La propagation est connue pour donner un transport super diffusif. C’est un transport qui devient plus rapide à mesure que vous augmentez le 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 vérifier cela. C’était la principale réalisation du travail.

Nathan Keenan, chercheur prédoctoral IBM-Trinity, qui a programmé l’appareil dans le cadre du projet, nous parle de certains des défis de la programmation des ordinateurs quantiques.

“Le plus gros problème avec la programmation des ordinateurs quantiques, c’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 de son environnement de laboratoire. Par conséquent, vous souhaitez minimiser la durée d’exécution d’un programme utile, car cela raccourcira le temps pendant lequel ces erreurs et des perturbations peuvent survenir et affecter votre résultat.”

Juan Bernabé-Moreno, directeur d’IBM Research UK & Ireland, a déclaré :

“IBM a une longue histoire de progrès de la technologie informatique quantique, 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 Trinity College Dublin, par le biais du MSc for Quantum Science and Technology et programme de doctorat, illustre cela et je suis ravi qu’il 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 – programmant les appareils du futur. La simulation quantique est un pilier central de la recherche dans la nouvelle alliance Trinity Quantum fondée et dirigée par le professeur John Goold, qui compte cinq partenaires industriels fondateurs, dont IBM, Microsoft, Algorithmiq, Horizon et Moodys Analytics.