Deux équipes indépendantes de scientifiques, dont un de l'Université du Maryland (UMD) et du National Institute of Standards and Technology (NIST), ont utilisé plus de 50 qubits atomiques en interaction pour imiter la matière quantique magnétique, dépassant la complexité des manifestations précédentes. Les résultats paraissent dans le numéro de cette semaine de La nature .

Comme base de sa simulation quantique, l'équipe UMD-NIST déploie jusqu'à 53 ions ytterbium individuels, des atomes chargés piégés en place par des électrodes dorées et tranchantes comme des rasoirs. Une conception complémentaire des chercheurs de Harvard et du MIT utilise 51 atomes de rubidium non chargés confinés par un réseau de faisceaux laser. Avec autant de qubits, ces simulateurs quantiques sont sur le point d'explorer une physique inaccessible même aux supercalculateurs modernes les plus rapides. Et ajouter encore plus de qubits n'est qu'une question de lasso plus d'atomes dans le mélange.

"Chaque qubit ionique est une horloge atomique stable qui peut être parfaitement répliquée, " déclare Christopher Monroe, chef de l'équipe UMD, qui est également le co-fondateur et scientifique en chef 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'exterieur, pour s'adapter à tout type de simulation quantique ou à toute future application informatique quantique. » Monroe a été l'un des premiers pionniers de l'informatique quantique et le simulateur quantique de son groupe de recherche fait partie d'un plan directeur pour un ordinateur quantique à usage général.

Matériel quantique pour un problème quantique

Bien que moderne, les ordinateurs à transistors sont parfaits pour résoudre de nombreux problèmes, ils peuvent s'arrêter brutalement lorsqu'ils traitent avec 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 fouillis d'intérêts concurrents à l'échelle quantique.

"Ce qui rend ce problème difficile, c'est que chaque aimant interagit avec tous les autres aimants, " dit le chercheur scientifique de l'UMD Zhexuan Gong, théoricien principal et co-auteur de l'étude. "Avec les 53 aimants quantiques en interaction dans cette expérience, il y a plus d'un quadrillion de configurations d'aimants possibles, et ce nombre double avec chaque aimant supplémentaire. Simuler ce problème à grande échelle sur un ordinateur conventionnel est extrêmement difficile, Si tout est possible."

Quand ces calculs heurtent un mur, un simulateur quantique peut aider les scientifiques à repousser les limites sur des problèmes difficiles. Il s'agit d'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 qui peuvent être dans une combinaison de deux ou plusieurs états à la fois. Les qubits se présentent sous différentes formes, et les atomes, les éléments constitutifs polyvalents de tout, sont l'un des principaux choix pour créer des qubits. Dans les années récentes, les scientifiques ont contrôlé 10 à 20 qubits atomiques dans des simulations quantiques à petite échelle.

Actuellement, mastodontes de l'industrie technologique, Les startups et les chercheurs universitaires sont dans une course féroce pour construire des prototypes d'ordinateurs quantiques capables de contrôler encore plus de qubits. Mais les qubits sont délicats et 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 attrayant qui peut considérablement simplifier le processus de mise à l'échelle jusqu'à la machinerie quantique 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 extra-atmosphérique. Cet isolement est nécessaire pour tenir à distance l'environnement destructeur, et il permet aux scientifiques de contrôler avec précision les qubits atomiques avec un réseau de lasers de haute technologie, lentilles, miroirs, fibres optiques et 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, " dit Monroe.

Dans le simulateur à 53 qubits, les qubits d'ions sont constitués d'atomes qui ont tous la même charge électrique et donc se repoussent. Mais alors qu'ils se repoussent, un champ électrique généré par un piège les force à se rapprocher. Les deux effets s'équilibrent, et les ions s'alignent en file indienne. Les physiciens tirent parti de la répulsion inhérente pour créer des interactions ion-à-ion délibérées, qui sont nécessaires pour simuler la matière quantique en interaction.

La simulation quantique commence par une impulsion laser qui commande tous les qubits dans le même état. Puis, un deuxième ensemble de faisceaux laser interagit avec les qubits ioniques, les forçant à agir comme de minuscules aimants, chacun ayant un pôle nord et un pôle sud. L'équipe fait cette deuxième étape d'un coup, ce qui met les qubits en action. Ils se sentent tiraillés entre deux 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 produisant aucune magnétisation. Les physiciens peuvent modifier les forces relatives des faisceaux laser et observer quelle phase l'emporte dans différentes conditions laser.

L'ensemble de la simulation ne prend que quelques millisecondes. En répétant le processus plusieurs fois et en mesurant les états résultants à différents points 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 qubit s'organisent sous la forme de différentes phases, dynamiques qui, selon les auteurs, sont presque impossibles à calculer en utilisant des moyens conventionnels lorsqu'il y a tant d'interactions.

Ce simulateur quantique est adapté pour sonder 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 afin d'obtenir un coup de pouce.

"Les simulations quantiques sont largement considérées comme l'une des premières applications utiles des ordinateurs quantiques, " dit Alexey Gorshkov, Physicien théoricien du NIST et co-auteur de l'étude. "Après avoir perfectionné ces simulateurs quantiques, nous pouvons ensuite mettre en œuvre des circuits quantiques et éventuellement connecter de manière quantique de nombreuses chaînes d'ions ensemble pour construire un ordinateur quantique à grande échelle avec un domaine d'applications beaucoup plus large. »

Comme ils cherchent à ajouter encore plus de qubits, l'équipe pense que son simulateur se lancera sur un terrain plus difficile en termes de calcul, au-delà du magnétisme. « Nous continuons d'affiner notre système, et nous pensons que bientôt, nous pourrons contrôler 100 qubits d'ions, ou plus, " dit Jiehang Zhang, l'auteur principal de l'étude et chercheur postdoctoral à l'UMD. "À ce moment, nous pouvons potentiellement explorer des problèmes difficiles en chimie quantique ou en conception de matériaux."