Ouragans, embouteillages, développement démographique - pour prédire l'effet de tels événements, des simulations informatiques sont nécessaires. De nombreux processus dans la nature, cependant, sont si compliqués que les ordinateurs conventionnels tombent en panne. Les simulateurs quantiques peuvent résoudre ce problème. L'interaction entre la lumière et la matière dans la photosynthèse est l'un des phénomènes fondamentaux de la nature. Les physiciens de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) ont maintenant fait un grand pas vers la compréhension de la mécanique quantique du métabolisme des plantes. Ceci est rapporté dans le Communication Nature journal.

"Un simulateur quantique est l'étape préliminaire d'un ordinateur quantique. Contrairement à un ordinateur quantique, cependant, il n'est pas en mesure de faire des calculs, mais est conçu pour la solution d'un certain problème, " déclare Jochen Braumüller du Physikalisches Institut (Institut de physique) du KIT. Comme la haute efficacité de la photosynthèse ne peut pas être complètement comprise avec les théories physiques classiques, des chercheurs comme Braumüller utilisent un modèle quantique. En collaboration avec des scientifiques de l'Institut für Theoretische Festkörperphysik (TFP, Institut de physique théorique du solide), il a démontré pour la première fois dans une expérience que les simulations quantiques de l'interaction entre la lumière et la matière fonctionnent en principe.

L'interaction entre la lumière et la matière dans la photosynthèse peut être décrite comme une interaction de photons de lumière avec les atomes de matière au niveau microscopique. La haute efficacité de ce mécanisme de près de 100 pour cent suggère qu'il est soumis aux règles de la physique quantique, ce qui est difficile à simuler avec des ordinateurs classiques et des bits simples. En informatique standard, les informations sont représentées par un commutateur qui peut stocker des informations comme zéro ou un. Bits quantiques, par contre, sont capables d'assumer les états de zéro et un en même temps selon les règles de la physique quantique. D'où, les ordinateurs quantiques ou les simulateurs quantiques plus simples peuvent résoudre le problème plus rapidement et plus efficacement.

Braumüller et ses co-auteurs ont maintenant développé l'un des premiers composants fonctionnels d'un simulateur quantique d'interaction lumière-matière :les circuits supraconducteurs en tant que bits quantiques représentent les atomes, tandis que les résonateurs électromagnétiques représentent les photons. Les physiciens ont réussi à produire un effet avec le bit quantique et le résonateur prenant deux états opposés en même temps. "Qubit et résonateur sont couplés, " dit Michael Marthaler de la TFP de KIT. " C'est aussi la raison de la capacité de calcul exponentiellement améliorée par rapport aux ordinateurs classiques. " La réalisation de ce principe fondamental de la mécanique quantique a démontré la faisabilité de la simulation quantique analogique avec des circuits supraconducteurs, disent les chercheurs.

Comme prochaine étape, ils prévoient d'étendre leur système via de nombreux autres blocs de construction. "La simulation classique de ce système étendu prendrait plus de temps que l'âge de l'univers, " dit Martin Weides, qui dirige un groupe de travail au Physikalisches Institut du KIT depuis 2015. Si la simulation de mécanique quantique prévue est réussie, ce sera une "étape importante sur la voie d'un ordinateur quantique universel".