Pouvez-vous faire confiance à votre simulateur quantique ? Une nouvelle technique permet de vérifier la précision des expériences qui sondent le comportement étrange des systèmes à l’échelle atomique


  • FrançaisFrançais



  • A l’échelle des atomes individuels, la physique devient bizarre. Les chercheurs s’efforcent de révéler, d’exploiter et de contrôler ces étranges effets quantiques à l’aide de simulateurs analogiques quantiques – des expériences de laboratoire qui impliquent de super-refroidir des dizaines à des centaines d’atomes et de les sonder avec des lasers et des aimants finement réglés.

    Les scientifiques espèrent que toute nouvelle compréhension acquise grâce aux simulateurs quantiques fournira des plans pour concevoir de nouveaux matériaux exotiques, une électronique plus intelligente et plus efficace et des ordinateurs quantiques pratiques. Mais pour récolter les informations des simulateurs quantiques, les scientifiques doivent d’abord leur faire confiance.

    C’est-à-dire qu’ils doivent être sûrs que leur appareil quantique a une « haute fidélité » et reflète avec précision le comportement quantique. Par exemple, si un système d’atomes est facilement influencé par le bruit externe, les chercheurs pourraient supposer un effet quantique là où il n’y en a pas. Mais jusqu’à présent, il n’existait aucun moyen fiable de caractériser la fidélité des simulateurs analogiques quantiques.

    Dans une étude parue dans La nature, des physiciens du MIT et de Caltech rapportent un nouveau phénomène quantique : ils ont découvert qu’il existe un certain caractère aléatoire dans les fluctuations quantiques des atomes et que ce comportement aléatoire présente un schéma universel et prévisible. Un comportement à la fois aléatoire et prévisible peut ressembler à une contradiction. Mais l’équipe a confirmé que certaines fluctuations aléatoires peuvent en effet suivre un schéma statistique prévisible.

    De plus, les chercheurs ont utilisé cet aléa quantique comme outil pour caractériser la fidélité d’un simulateur analogique quantique. Ils ont montré par la théorie et les expériences qu’ils pouvaient déterminer la précision d’un simulateur quantique en analysant ses fluctuations aléatoires.

    L’équipe a développé un nouveau protocole d’analyse comparative qui peut être appliqué aux simulateurs analogiques quantiques existants pour évaluer leur fidélité en fonction de leur modèle de fluctuations quantiques. Le protocole pourrait aider à accélérer le développement de nouveaux matériaux exotiques et de systèmes informatiques quantiques.

    « Ce travail permettrait de caractériser de nombreux dispositifs quantiques existants avec une très grande précision », explique le co-auteur de l’étude, Soonwon Choi, professeur adjoint de physique au MIT. « Cela suggère également qu’il existe des structures théoriques plus profondes derrière le caractère aléatoire des systèmes quantiques chaotiques que ce à quoi nous avions pensé auparavant. »

    Les auteurs de l’étude incluent Daniel Mark, étudiant diplômé du MIT, et des collaborateurs de Caltech, de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, de l’Université de Harvard et de l’Université de Californie à Berkeley.

    Évolution aléatoire

    La nouvelle étude a été motivée par une avancée en 2019 de Google, où les chercheurs avaient construit un ordinateur quantique numérique, baptisé « Sycamore », qui pouvait effectuer un calcul spécifique plus rapidement qu’un ordinateur classique.

    Alors que les unités de calcul d’un ordinateur classique sont des « bits » qui existent sous la forme d’un 0 ou d’un 1, les unités d’un ordinateur quantique, appelées « qubits », peuvent exister dans une superposition d’états multiples. Lorsque plusieurs qubits interagissent, ils peuvent en théorie exécuter des algorithmes spéciaux qui résolvent des problèmes difficiles en un temps beaucoup plus court que n’importe quel ordinateur classique.

    Les chercheurs de Google ont conçu un système de boucles supraconductrices pour se comporter comme 53 qubits et ont montré que « l’ordinateur » pouvait effectuer un calcul spécifique qui serait normalement trop épineux pour être résolu même par le supercalculateur le plus rapide du monde.

    Google a également montré qu’il pouvait quantifier la fidélité du système. En modifiant de manière aléatoire l’état des qubits individuels et en comparant les états résultants des 53 qubits avec ce que prédisent les principes de la mécanique quantique, ils ont pu mesurer la précision du système.

    Choi et ses collègues se sont demandé s’ils pouvaient utiliser une approche aléatoire similaire pour évaluer la fidélité des simulateurs analogiques quantiques. Mais il y avait un obstacle qu’ils devaient franchir : contrairement au système quantique numérique de Google, les atomes individuels et autres qubits dans les simulateurs analogiques sont incroyablement difficiles à manipuler et donc à contrôler de manière aléatoire.

    Mais grâce à une modélisation théorique, Choi s’est rendu compte que l’effet collectif de la manipulation individuelle des qubits dans le système de Google pouvait être reproduit dans un simulateur quantique analogique en laissant simplement les qubits évoluer naturellement.

    « Nous avons compris que nous n’avions pas à concevoir ce comportement aléatoire », déclare Choi. « Sans réglage fin, nous pouvons simplement laisser la dynamique naturelle des simulateurs quantiques évoluer, et le résultat conduirait à un schéma similaire d’aléatoire dû au chaos. »

    Construire de la confiance

    Comme exemple extrêmement simplifié, imaginez un système de cinq qubits. Chaque qubit peut exister simultanément en tant que 0 ou 1, jusqu’à ce qu’une mesure soit effectuée, après quoi les qubits s’installent dans l’un ou l’autre état. Avec n’importe quelle mesure, les qubits peuvent prendre l’une des 32 combinaisons différentes : 0-0-0-0-0, 0-0-0-0-1, etc.

    « Ces 32 configurations se produiront avec une certaine distribution de probabilité, qui, selon les gens, devrait être similaire aux prédictions de la physique statistique », explique Choi. « Nous montrons qu’ils sont d’accord en moyenne, mais il y a des écarts et des fluctuations qui présentent un caractère aléatoire universel que nous ne connaissions pas. Et ce caractère aléatoire a le même aspect que si vous exécutiez ces opérations aléatoires que Google a effectuées. »

    Les chercheurs ont émis l’hypothèse que s’ils pouvaient développer une simulation numérique qui représente précisément la dynamique et les fluctuations aléatoires universelles d’un simulateur quantique, ils pourraient comparer les résultats prédits avec les résultats réels du simulateur. Plus les deux sont proches, plus le simulateur quantique doit être précis.

    Pour tester cette idée, Choi s’est associé à des expérimentateurs de Caltech, qui ont conçu un simulateur analogique quantique comprenant 25 atomes. Les physiciens ont braqué un laser sur l’expérience pour exciter collectivement les atomes, puis ont laissé les qubits interagir naturellement et évoluer au fil du temps. Ils ont mesuré l’état de chaque qubit sur plusieurs exécutions, rassemblant 10 000 mesures au total.

    Choi et ses collègues ont également développé un modèle numérique pour représenter la dynamique quantique de l’expérience et ont incorporé une équation qu’ils ont dérivée pour prédire les fluctuations aléatoires universelles qui devraient survenir. Les chercheurs ont ensuite comparé leurs mesures expérimentales avec les résultats prédits du modèle et ont observé une correspondance très étroite – une preuve solide que ce simulateur particulier peut être considéré comme reflétant un comportement mécanique quantique pur.

    Plus largement, les résultats démontrent une nouvelle façon de caractériser presque tous les simulateurs analogiques quantiques existants.

    « La capacité de caractériser les dispositifs quantiques constitue un outil technique très basique pour construire des systèmes quantiques de plus en plus grands, plus précis et complexes », a déclaré Choi. « Avec notre outil, les gens peuvent savoir s’ils travaillent avec un système fiable. »

    Cette recherche a été financée, en partie, par la US National Science Foundation, la Defense Advanced Research Projects Agency, le Army Research Office et le Department of Energy.

    N'oubliez pas de voter pour cet article !
    1 étoile2 étoiles3 étoiles4 étoiles5 étoiles (No Ratings Yet)
    Loading...
    mm

    La Rédaction

    L'équipe rédactionnelle

    Laisser un commentaire

    Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *