Une équipe de chercheurs britanniques et russes a démontré avec succès qu'un type de «poussière magique» qui combine la lumière et la matière peut être utilisé pour résoudre des problèmes complexes et pourrait éventuellement dépasser les capacités des supercalculateurs les plus puissants.

Les chercheurs, de Cambridge, les universités de Southampton et de Cardiff au Royaume-Uni et le Skolkovo Institute of Science and Technology en Russie, ont utilisé des particules quantiques connues sous le nom de polaritons - qui sont mi-lumière et mi-matière - pour agir comme une sorte de "phare" montrant la voie à la solution la plus simple à des problèmes complexes. Cette conception entièrement nouvelle pourrait constituer la base d'un nouveau type d'ordinateur capable de résoudre des problèmes actuellement insolubles, dans divers domaines tels que la biologie, la finance ou les voyages dans l'espace. Les résultats sont publiés dans le journal Matériaux naturels .

Notre progrès technologique, de la modélisation du repliement des protéines et du comportement des marchés financiers à la conception de nouveaux matériaux et à l'envoi de missions entièrement automatisées dans l'espace lointain, dépend de notre capacité à trouver la solution optimale d'une formulation mathématique d'un problème :le nombre minimum absolu d'étapes qui il faut pour résoudre ce problème.

La recherche d'une solution optimale est analogue à la recherche du point le plus bas dans un terrain montagneux avec de nombreuses vallées, tranchées, et gouttes. Un randonneur peut descendre et penser qu'il a atteint le point le plus bas de tout le paysage, mais il peut y avoir une chute plus profonde juste derrière la prochaine montagne. Une telle recherche peut sembler intimidante en terrain naturel, mais imaginez sa complexité dans l'espace de grande dimension. "C'est exactement le problème à résoudre lorsque la fonction objectif à minimiser représente un problème réel avec de nombreuses inconnues, paramètres, et contraintes, " a déclaré le professeur Natalia Berloff du Département de mathématiques appliquées et de physique théorique de Cambridge et de l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo, et le premier auteur de l'article.

Les supercalculateurs modernes ne peuvent traiter qu'un petit sous-ensemble de tels problèmes lorsque la dimension de la fonction à minimiser est petite ou lorsque la structure sous-jacente du problème lui permet de trouver rapidement la solution optimale même pour une fonction de grande dimensionnalité. Même un hypothétique ordinateur quantique, si réalisé, offre au mieux l'accélération quadratique de la recherche "à force brute" du minimum global.

Berloff et ses collègues ont abordé le problème sous un angle inattendu :et si au lieu de se déplacer le long du terrain montagneux à la recherche du point le plus bas, on remplit le paysage d'une poussière magique qui ne brille qu'au plus profond, devenir un marqueur facilement détectable de la solution ?

"Il y a quelques années, notre proposition purement théorique sur la façon de procéder a été rejetée par trois revues scientifiques, " a déclaré Berloff. " Un arbitre a dit, « Qui serait assez fou pour essayer de mettre cela en œuvre ? ! » Nous avons donc dû le faire nous-mêmes, et maintenant nous avons prouvé notre proposition avec des données expérimentales."

Leurs polaritons de «poussière magique» sont créés en projetant un laser sur des couches empilées d'atomes sélectionnés tels que le gallium, arsenic, indium, et aluminium. Les électrons de ces couches absorbent et émettent de la lumière d'une couleur spécifique. Les polaritons sont dix mille fois plus légers que les électrons et peuvent atteindre des densités suffisantes pour former un nouvel état de la matière connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein, où les phases quantiques des polaritons se synchronisent et créent un seul objet quantique macroscopique qui peut être détecté par des mesures de photoluminescence.

La question suivante que devaient se poser les chercheurs était de savoir comment créer un paysage potentiel qui corresponde à la fonction à minimiser et forcer les polaritons à se condenser à son point le plus bas. Pour faire ça, le groupe s'est concentré sur un type particulier de problème d'optimisation, mais un type suffisamment général pour que tout autre problème difficile puisse y être lié, à savoir la minimisation du modèle XY qui est l'un des modèles les plus fondamentaux de la mécanique statistique. Les auteurs ont montré qu'ils peuvent créer des polaritons aux sommets d'un graphe arbitraire :lorsque les polaritons se condensent, les phases quantiques des polaritons s'arrangent dans une configuration qui correspond au minimum absolu de la fonction objectif.

"Nous ne faisons que commencer à explorer le potentiel des graphes de polaritons pour résoudre des problèmes complexes, " a déclaré le co-auteur, le professeur Pavlos Lagoudakis, Responsable du Hybrid Photonics Lab de l'Université de Southampton et du Skolkovo Institute of Science and Technology, où les expériences ont été réalisées. « Nous étendons actuellement notre appareil à des centaines de nœuds, tout en testant sa puissance de calcul fondamentale. L'objectif ultime est un simulateur quantique de micropuce fonctionnant dans des conditions ambiantes."