Des scientifiques développent un processeur quantique fermionique

Les atomes fermioniques sont des atomes qui obéissent au principe d’exclusion de Pauli, ce qui signifie que deux d’entre eux ne peuvent pas occuper simultanément le même état quantique. Cela les rend idéaux pour simuler des systèmes dans lesquels les statistiques fermioniques jouent un rôle crucial, tels que les molécules, les supraconducteurs et les plasmas quarks-gluons. “Dans les ordinateurs quantiques basés sur des qubits, des ressources supplémentaires doivent être consacrées à la simulation de ces propriétés, généralement sous la forme de qubits supplémentaires ou de circuits quantiques plus longs”, explique Daniel Gonzalez Cuadra du groupe de recherche dirigé par Peter Zoller de l’Institut d’optique quantique et Information quantique (IQOQI) de l’Académie autrichienne des sciences (ÖAW) et du Département de physique théorique de l’Université d’Innsbruck, Autriche.

Informations quantiques dans les particules fermioniques

Un processeur quantique fermionique est composé d’un registre fermionique et d’un ensemble de portes quantiques fermioniques. “Le registre consiste en un ensemble de modes fermioniques, qui peuvent être vides ou occupés par un seul fermion, et ces deux états forment l’unité locale d’information quantique”, explique Daniel Gonzalez Cuadra. “L’état du système que nous voulons simuler, comme une molécule composée de nombreux électrons, sera en général une superposition de nombreux modèles d’occupation, qui pourront être directement codés dans ce registre.” Ces informations sont ensuite traitées à l’aide d’un circuit quantique fermionique, conçu pour simuler par exemple l’évolution temporelle d’une molécule. Un tel circuit peut être décomposé en une séquence de seulement deux types de portes fermioniques, une porte tunnel et une porte d’interaction.

Les chercheurs proposent de piéger les atomes fermioniques dans un ensemble de pinces optiques, qui sont des faisceaux laser hautement focalisés capables de retenir et de déplacer les atomes avec une grande précision. “L’ensemble requis de portes quantiques fermioniques peut être implémenté de manière native dans cette plate-forme : les portes tunnel peuvent être obtenues en contrôlant l’effet tunnel d’un atome entre deux pinces optiques, tandis que les portes d’interaction sont implémentées en excitant d’abord les atomes vers les états de Rydberg, transportant une forte énergie. moment dipolaire”, explique Gonzalez Cuadra.

De la chimie quantique à la physique des particules

Le traitement quantique fermionique est particulièrement utile pour simuler les propriétés de systèmes composés de nombreux fermions en interaction, tels que les électrons dans une molécule ou dans un matériau, ou les quarks à l’intérieur d’un proton, et a donc des applications dans de nombreux domaines, allant de la chimie quantique à la physique des particules. . Les chercheurs démontrent comment leur processeur quantique fermionique peut simuler efficacement les modèles fermioniques de la chimie quantique et de la théorie de la jauge sur réseau, qui sont deux domaines importants de la physique difficiles à résoudre avec des ordinateurs classiques. “En utilisant des fermions pour coder et traiter l’information quantique, certaines propriétés du système simulé sont intrinsèquement garanties au niveau matériel, ce qui nécessiterait des ressources supplémentaires dans un ordinateur quantique standard basé sur qubits”, explique Daniel Gonzalez Cuadra. “Je suis très enthousiasmé par l’avenir de ce domaine et j’aimerais continuer à y contribuer en identifiant les applications les plus prometteuses du traitement quantique fermionique et en concevant des algorithmes sur mesure pouvant fonctionner dans des dispositifs à court terme.”

Les résultats actuels ont été publiés dans le Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS). La recherche a été financée par le Fonds scientifique autrichien FWF, l’Union européenne et la Fondation Simons, entre autres.