Une feuille de route pour l’avenir de la simulation quantique

Les ordinateurs quantiques sont des appareils extrêmement puissants avec une capacité de vitesse et de calcul bien au-delà de la portée de l’informatique classique ou binaire. Au lieu d’un système binaire de zéros et de uns, il fonctionne par superpositions, qui peuvent être des zéros, des uns ou les deux à la fois.

Le développement en constante évolution de l’informatique quantique a atteint le point d’avoir un avantage sur les ordinateurs classiques pour un problème artificiel. Il pourrait avoir des applications futures dans un large éventail de domaines. Une classe prometteuse de problèmes implique la simulation de systèmes quantiques, avec des applications potentielles telles que le développement de matériaux pour les batteries, la catalyse industrielle et la fixation de l’azote.

Le journal, publié en La nature, explore les possibilités à court et moyen terme de simulation quantique sur des plateformes analogiques et numériques pour aider à évaluer le potentiel de ce domaine. Il a été co-écrit par des chercheurs de Strathclyde, de l’Institut Max Planck d’optique quantique, de l’Université Ludwig Maximilians de Munich, du Centre de Munich pour la science et la technologie quantiques, de l’Université d’Innsbruck, de l’Institut d’optique quantique et d’information quantique de l’Académie autrichienne. des sciences et Microsoft Corporation.

Le professeur Andrew Daley, du département de physique de Strathclyde, est l’auteur principal de l’article. Il a déclaré : « Il y a eu beaucoup de progrès passionnants dans la simulation quantique analogique et numérique ces dernières années, et la simulation quantique est l’un des domaines les plus prometteurs du traitement de l’information quantique. Elle est déjà assez mature, à la fois en termes de développement d’algorithmes , et dans la disponibilité d’expériences de simulation quantique analogique significativement avancées à l’échelle internationale.

“Dans l’histoire de l’informatique, l’informatique analogique classique et l’informatique numérique ont coexisté pendant plus d’un demi-siècle, avec une transition progressive vers l’informatique numérique, et nous nous attendons à ce que la même chose se produise avec l’émergence de la simulation quantique.

“En tant que prochaine étape du développement de cette technologie, il est maintenant important de discuter de” l’avantage quantique pratique “, le point auquel les dispositifs quantiques résoudront des problèmes d’intérêt pratique qui ne sont pas traitables pour les supercalculateurs traditionnels.

“Beaucoup des applications à court terme les plus prometteuses des ordinateurs quantiques relèvent de la simulation quantique : modéliser les propriétés quantiques des particules microscopiques qui sont directement pertinentes pour comprendre la science moderne des matériaux, la physique des hautes énergies et la chimie quantique.

“La simulation quantique devrait être possible à l’avenir sur des ordinateurs quantiques numériques tolérants aux pannes avec plus de flexibilité et de précision, mais elle peut également déjà être effectuée aujourd’hui pour des modèles spécifiques grâce à des simulateurs quantiques analogiques spéciaux. Cela se produit de manière analogue à l’étude de l’aérodynamique, qui peut être menée soit dans une soufflerie, soit par le biais de simulations sur un ordinateur numérique. Là où l’aérodynamique utilise souvent un modèle à plus petite échelle pour comprendre quelque chose de grand, les simulateurs quantiques analogiques utilisent souvent un modèle à plus grande échelle pour comprendre quelque chose d’encore plus petit.

“Les simulateurs quantiques analogiques passent désormais de la fourniture de démonstrations qualitatives de phénomènes physiques à la fourniture de solutions quantitatives aux problèmes natifs. Une voie particulièrement intéressante à court terme est le développement d’une gamme de simulateurs quantiques programmables hybrides entre les techniques numériques et analogiques. potentiel car il combine les meilleurs avantages des deux côtés en utilisant les opérations analogiques natives pour produire des états hautement intriqués.”

L’Université de Strathclyde et tous les partenaires de cet article de perspective ont de vastes programmes actifs impliquant à la fois la théorie des architectures et des algorithmes, ainsi que le développement de plates-formes pour la simulation quantique analogique et l’informatique quantique numérique. Les partenaires ont collaboré dans le cadre du projet Horizon 2020 EU Quantum Technologies Flagship PASQuanS. À Strathclyde, la recherche dans ce domaine est fortement ancrée dans le programme national de technologie quantique du Royaume-Uni et a reçu un financement substantiel de UK Research and Innovation.

Un cluster technologique quantique est intégré au Glasgow City Innovation District, une initiative menée par Strathclyde avec le conseil municipal de Glasgow, Scottish Enterprise, Entrepreneurial Scotland et la chambre de commerce de Glasgow. Il est envisagé comme un lieu mondial pour l’industrialisation quantique, attirant les entreprises pour s’implanter, accélérer la croissance, améliorer la productivité et accéder à la technologie de recherche et aux talents de classe mondiale à Strathclyde.

L’Université de Strathclyde est la seule institution universitaire à avoir été partenaire des quatre pôles technologiques quantiques financés par l’EPSRC dans les deux phases de financement. Les Hubs sont dans : Sensing and Timing ; Imagerie améliorée quantique ; Calcul et simulation quantiques et technologies de communication quantique.