Une collaboration internationale de physiciens quantiques de l'Université de Bristol, Microsoft, Google, Collège impérial, Institut Max Planck, et l'Université Sun Yat-sen ont introduit un nouvel algorithme pour résoudre la structure énergétique des systèmes quantiques sur les ordinateurs quantiques.

Ils ont testé cet algorithme sur un processeur photonique quantique au silicium qui effectue le calcul à l'aide de photons, les particules élémentaires de lumière.

La structure énergétique d'un système quantique est constituée de niveaux d'énergie quantifiés, le niveau d'énergie le plus bas est appelé état fondamental, tandis que les niveaux d'énergie les plus élevés sont appelés états excités.

En particulier, ce nouvel algorithme est capable de trouver les états excités d'une manière qui semble n'avoir aucun analogue direct sur un ordinateur classique, offrant une nouvelle façon d'étudier la physique et la chimie au niveau microscopique.

Les propriétés chimiques et physiques fondamentales des systèmes peuvent être caractérisées en trouvant un ensemble particulier d'états quantifiés appelés états propres qui contient l'état fondamental du système (l'état avec une énergie minimale) et des états excités (états stationnaires avec des énergies plus élevées).

Auteur Jarrod McClean, du Quantum AI Lab de Google, a déclaré:"Élargir la boîte à outils pour les états excités est crucial si nous voulons que les ordinateurs quantiques apportent des contributions significatives à des domaines importants tels que les cellules solaires et les batteries."

On s'attend à ce que les grands ordinateurs quantiques soient capables de simuler des systèmes chimiques complexes, une tâche impossible pour les ordinateurs classiques, accroître nos connaissances en physique et en chimie.

La recherche, publié aujourd'hui dans la revue, Avancées scientifiques , a été dirigé par des chercheurs de l'École de physique de l'Université de Bristol.

L'auteur principal, le Dr Raffaele Santagati, a déclaré:"Dans ce travail, nous fournissons un nouvel outil pour étudier les propriétés des systèmes quantiques avec des ordinateurs quantiques."

Cet objectif est atteint en introduisant une approche de la simulation quantique basée sur le nouveau concept de "témoin d'état propre", une quantité qui détecte si un état quantique donné est proche ou non d'un état propre du système.

Dr Jianwei Wang, également de l'Université de Bristol, a ajouté :« Nous avons testé avec succès le protocole d'un cas de preuve de concept dans une puce photonique quantique en silicium, montrant son applicabilité pour simuler des systèmes plus complexes dans des dispositifs quantiques réalistes à court terme."

Peu de temps après la manifestation de Bristol, une autre approche a été démontrée expérimentalement par le Dr Jeremy Colless et ses collègues de l'UCA à Berkeley, utilisant des qubits supraconducteurs.

Les chercheurs prévoient que les principales conclusions de cet article favoriseront la recherche vers des améliorations de l'algorithme proposé et l'essor de nouvelles applications.

Les ordinateurs quantiques avancés débloqueront des applications puissantes, et cela devrait être possible dans les prochaines décennies, quand des ordinateurs quantiques avec environ 200 qubits seront disponibles.

Le Dr Santagati a ajouté :« Poursuite du développement de la photonique quantique intégrée, réaliser des dispositifs plus complexes, rendra possibles des simulateurs quantiques photoniques plus utiles. »