Un groupe international de chercheurs, dont le physicien UvA Michael Walter, ont conçu de nouvelles méthodes pour créer des états d'entrée intéressants pour les calculs et les simulations quantiques. Les nouvelles méthodes peuvent être utilisées pour simuler certains systèmes électroniques avec une précision arbitrairement élevée. Les résultats ont été publiés dans la principale revue Examen physique X cette semaine.

Quand on pense à l'information, nous pensons souvent aux bits informatiques classiques :des dispositifs qui peuvent stocker soit un « 0 » soit un « 1 » et qui peuvent être manipulés pour effectuer des calculs. Récemment, cependant, les physiciens s'intéressent de plus en plus à la théorie de l'information quantique, où les unités d'information de base sont des bits quantiques, ou qubits pour faire court. Qubits - de minuscules électrons en rotation, par exemple, ont deux propriétés qui les rendent encore plus intéressantes que leurs homologues classiques. Tout d'abord, ils n'ont pas besoin d'être exactement dans l'état '0' ou '1' (tournant dans le sens horaire ou antihoraire, par exemple), mais ils peuvent être dans des superpositions plus compliquées, quelque chose comme "avoir une probabilité de 30% de tourner dans le sens des aiguilles d'une montre et de 70% de tourner dans le sens inverse des aiguilles d'une montre". En outre, les qubits peuvent partager des informations entre eux :les probabilités d'un qubit peuvent dépendre des probabilités d'un autre qubit (en langage physique, les qubits sont intriqués).

Simuler la physique quantique

Ensemble, ces deux propriétés rendent l'information quantique beaucoup plus flexible et potentiellement beaucoup plus puissante que l'information classique. Ordinateurs quantiques, par exemple, peut faire des calculs que nous ne savons pas faire avec des ordinateurs ordinaires, même si nous avions des milliards d'années de temps de calcul - le célèbre exemple étant le craquage de code par la factorisation en nombres premiers de grands nombres. Mais les ordinateurs quantiques ne sont pas seulement utiles pour résoudre des problèmes mathématiques; ils peuvent aussi être très utiles pour les physiciens. Simulation de systèmes quantiques, par exemple, est assez élaboré dans un ordinateur ordinaire. De par leur nature même, les futurs ordinateurs quantiques seront bien mieux équipés pour faire de telles simulations.

Les progrès récents dans la compréhension de la physique de l'information quantique ont conduit à de nouvelles méthodes pour simuler la physique quantique, à la fois sur les ordinateurs classiques existants et sur les futurs ordinateurs quantiques. Des procédures opérationnelles pour préparer des états quantiques intéressants qui pourraient servir d'entrée pour ces calculs et simulations sont essentielles à ces développements. Un objectif particulièrement excitant est, par exemple, pour décrire les propriétés physiques des systèmes d'électrons. Les propriétés électroniques sont importantes à la fois pour la chimie et pour la science des matériaux, mais ces propriétés se sont avérées très difficiles à calculer avec les méthodes traditionnelles.

Un groupe international de chercheurs a maintenant fait des progrès significatifs sur cette question. Parmi eux se trouve le physicien UvA Michael Walter, actuellement professeur assistant à l'institut QuSoft à Amsterdam, et anciennement chercheur postdoctoral à Stanford, où s'effectuait une grande partie de son travail.

Walter et ses collègues se sont inspirés des connaissances de la physique à plusieurs corps, sciences de l'information quantique, et le traitement du signal pour dériver de nouvelles procédures de préparation pour plusieurs états quantiques non triviaux. Les résultats prennent la forme de "circuits quantiques", qui sont des séquences d'opérations physiques qui préparent un état d'intérêt à partir d'un simple état initial. L'article considère en particulier une classe d'états métalliques qui se sont avérés difficiles à traiter en raison de leur degré élevé d'intrication quantique. Par leurs méthodes, les chercheurs ont maintenant réussi à donner des procédures de préparation pour ces états.

Les nouveaux résultats, qui ont été publiés dans Examen physique X cette semaine, sont remarquables parce que les méthodes ne semblent pas seulement fonctionner; les auteurs peuvent effectivement prouver mathématiquement qu'ils doivent travailler. Les résultats constituent un tremplin pour les futurs calculs quantiques :les techniques de l'article serviront vraisemblablement d'élément clé pour traiter des états électroniques plus complexes qui incluent les effets des interactions électroniques.