vendredi , 15 décembre 2017

Un simulateur quantique à 50 qubits, une étape de plus vers l’informatique quantique

Les scientifiques rapportent la création d’un simulateur quantique à 50 qubits en battant un nouveau record. Se concentrant principalement sur le magnétisme quantique, c’est quand même une étape de plus vers un ordinateur quantique à grande échelle.


Un simulateur quantique à 50 qubits, une étape de plus vers l’informatique quantique
Une illustration d'artiste d'une simulation quantique. Les lasers manipulent un ensemble de 50 qubits atomiques pour étudier les dynamiques du magnétisme quantique - Crédit : E. Edwards/JQI
2 équipes indépendantes de scientifiques de l’Université du Maryland (UMD) et l’Institut national des normes et technologies (NIST), ont utilisé plus de 50 qubits atomiques interactifs pour imiter la matière quantique magnétique en dépassant la complexité des démonstrations précédentes. Les résultats sont publiés dans Nature.1

Comme base de sa simulation quantique, l’équipe UMD-NIST a déployé jusqu’à 53 atomes d’ions ytterbium individuels piégés par des électrodes. Une conception complémentaire par Harvard et les chercheurs du MIT utilise 51 atomes de rubidium non chargés confinés par des faisceaux lasers. Avec autant de qubits, ces simulateurs quantiques sont sur le point d’explorer la physique inaccessible même par les superordinateurs modernes les plus rapides. Et on peut augmenter le nombre de qubits en concentrant plus d’atomes dans le mélange.

Chaque qubit ionique est une horloge atomique stable qu’on peut reproduire parfaitement selon Christopher Monroe, chef d’équipe de l’UMD et co-fondateur et directeur scientifique de la startup IonQ Inc. Ils sont efficacement câblés avec des faisceaux laser externes. Cela signifie que le même appareil peut être reprogrammé et reconfiguré, de l’extérieur, pour s’adapter à tout type de simulation quantique ou future application quantique. Monroe a été l’un des premiers pionniers en informatique quantique et le simulateur quantique de son groupe de recherche fait partie d’un plan d’un ordinateur quantique à usage général.

Un Hardware quantique pour un problème  quantique

Même si les ordinateurs modernes sont parfaits pour résoudre de nombreux problèmes, ils peuvent échouer lorsque vous manipulez plus de 20 objets quantiques en interaction. C’est certainement le cas pour le magnétisme quantique dans lequel les interactions peuvent conduire à un alignement magnétique ou à un enchevêtrement d’intérêts concurrents à l’échelle quantique.

Une illustration d'artiste d'une simulation quantique. Les lasers manipulent un ensemble de 50 qubits atomiques pour étudier les dynamiques du magnétisme quantique - Crédit : E. Edwards/JQI

Une illustration d’artiste d’une simulation quantique. Les lasers manipulent un ensemble de 50 qubits atomiques pour étudier les dynamiques du magnétisme quantique – Crédit : E. Edwards/JQI

La difficulté du problème est que chaque aimant interagit avec tous les autres aimants selon Zhexuan Gong, chercheur principal de l’UMD, théoricien en chef et co-auteur de l’étude. Avec les 53 aimants quantiques en interaction dans cette expérience, il y a plus d’un million de milliards (1015) de configurations d’aimants possibles et ce nombre double avec chaque aimant supplémentaire. Il est très difficile sinon impossible de simuler ce problème à grande échelle sur un ordinateur conventionnel.

Quand les calculs atteignent leurs limites, un simulateur quantique peut aider les scientifiques à repousser les limites des problèmes difficiles. C’est un type restreint d’ordinateur quantique qui utilise des qubits pour imiter la matière quantique complexe. Les Qubits sont des systèmes quantiques isolés et bien contrôlés qu’on peut combiner dans 2 états ou plus à la fois. Les Qubits se présentent sous différentes formes et les atomes sont l’un des principaux éléments pour faire des qubits. Ces dernières années, les scientifiques ont contrôlé 10 à 20 qubits atomiques dans des simulations quantiques à petite échelle.

Actuellement, les géants de l’industrie de la technologie, les startups et les chercheurs universitaires sont dans une course pour construire des prototypes d’ordinateurs quantiques capables de contrôler encore plus de qubits. Mais les qubits sont délicats et ils doivent rester isolés de l’environnement pour protéger la nature quantique de l’appareil. Avec chaque qubit ajouté, cette protection devient plus difficile, surtout si les qubits ne sont pas identiques dès le départ comme c’est le cas avec les circuits fabriqués. C’est l’une des raisons pour lesquelles les atomes sont un choix intéressant qui peut simplifier considérablement le processus de mise à l’échelle des machines quantiques à grande échelle.

Un avantage atomique

Contrairement aux circuits intégrés des ordinateurs modernes, les qubits atomiques résident à l’intérieur d’une chambre à vide à température ambiante qui maintient une pression similaire à celle de l’espace extérieur. Cet isolement est nécessaire pour éviter un environnement nocif et il permet aux scientifiques de contrôler avec précision les qubits atomiques avec un réseau de lasers, de lentilles, de miroirs, de fibres optiques et de circuits électriques.

Les principes de l’informatique quantique diffèrent radicalement de ceux de l’informatique conventionnelle, il n’y a donc aucune raison de s’attendre à ce que ces deux technologies se ressemblent selon Monroe.

Dans le simulateur à 53 bits, les qubits d’ions sont constitués d’atomes qui ont tous la même charge électrique en se repoussant les uns les autres. Mais quand ils se repoussent, un champ électrique généré par un piège les oblige à revenir ensemble. Les 2 effets s’équilibrent et les ions s’alignent sur une seule file. Les physiciens exploitent la répulsion inhérente pour créer des interactions ion-à-ion qui sont nécessaires pour simuler la matière quantique en interaction.

Des chaines de qubits atomiques pour analyser le magnétisme quantique. Chaque ligne de points lumineux et sombres est une capture fluorescente de la chaine d'atomes. Les physiciens utilisent des lasers pour mesurer les qubits pendant la simulation quantique. Le résultat, lumineux ou sombre, leur permet d'extraire l'information concernant l'état magnétique d'un système - Crédit : Data: J. Zhang et al.; graphic: E. Edwards

Des chaines de qubits atomiques pour analyser le magnétisme quantique. Chaque ligne de points lumineux et sombres est une capture fluorescente de la chaine d’atomes. Les physiciens utilisent des lasers pour mesurer les qubits pendant la simulation quantique. Le résultat, lumineux ou sombre, leur permet d’extraire l’information concernant l’état magnétique d’un système – Crédit : Data: J. Zhang et al.; graphic: E. Edwards

La simulation quantique commence par une impulsion laser qui commande tous les qubits dans le même état. Ensuite, un deuxième ensemble de faisceaux laser interagit avec les qubits d’ions, les forçant à agir comme de minuscules aimants, chacun ayant un pôle nord et un pôle sud. L’équipe déclenche rapidement cette deuxième étape ce qui active les qubits. Ils sont déchirés entre 2 choix, ou phases, de la matière quantique. En tant qu’aimants, ils peuvent soit aligner leurs pôles avec leurs voisins pour former un ferromagnétique, soit pointer dans des directions aléatoires ne donnant aucune aimantation. Les physiciens peuvent changer les forces relatives des faisceaux laser et observer la phase qui gagne en fonction des différentes conditions de laser.

Toute la simulation ne prend que quelques millisecondes. En répétant plusieurs fois le processus et en mesurant les états résultants à différents moments de la simulation, l’équipe peut voir le processus tel qu’il se déroule du début à la fin. Les chercheurs observent comment les aimants de qubit s’organisent sous la forme de phases différentes qui sont une dynamique qui est presque impossible à calculer en utilisant des moyens conventionnels avec autant d’interactions.

Vers un simulateur quantique à 100 qubits

Ce simulateur quantique est approprié pour explorer la matière magnétique et les problèmes connexes. Mais d’autres types de calculs peuvent nécessiter un ordinateur quantique plus général avec des interactions arbitrairement programmables.

Les simulations quantiques sont largement considérées comme l’une des premières applications utiles des ordinateurs quantiques selon Alexey Gorshkov, physicien théoricien du NIST et co-auteur de l’étude. Après avoir perfectionné ces simulateurs quantiques, nous pouvons ensuite implémenter des circuits quantiques et éventuellement connecter de façon quantique de nombreuses chaînes d’ions pour construire un ordinateur quantique à grande échelle avec un domaine d’applications beaucoup plus large.

Maintenant qu’elle cherche à ajouter encore plus de qubits, l’équipe pense que son simulateur va aller sur un terrain plus complexe, au-delà du magnétisme. Nous continuons d’affiner notre système et nous pensons que bientôt, nous serons en mesure de contrôler 100 qubits d’ions ou plus selon Jiehang Zhang, auteur principal de l’étude et chercheur postdoctoral à l’UMD. À ce stade, nous pouvons potentiellement explorer des problèmes difficiles en chimie quantique ou en conception de matériaux.

Sources

1.
Observation of a many-body dynamical phase transition with a 53-qubit quantum simulator. Nature. http://dx.doi.org/10.1038/nature24654.
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A propos de Jacqueline Charpentier

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Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d’emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l’actualité scientifique et celle de la santé.

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