Les dispositifs quantiques de pointe ne sont pas encore assez grands pour être appelés ordinateurs à grande échelle. Les plus gros ne comprennent que quelques dizaines de qubits, un nombre maigre par rapport aux milliards de bits dans la mémoire d'un ordinateur ordinaire. Mais des progrès constants signifient que ces machines enchaînent désormais systématiquement 10 ou 20 qubits et pourraient bientôt avoir une emprise sur 100 ou plus.

En attendant, les chercheurs sont occupés à imaginer des utilisations pour les petits ordinateurs quantiques et à tracer le paysage des problèmes qu'ils seront aptes à résoudre. Un article de chercheurs du Joint Quantum Institute (JQI) et du Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS), publié récemment dans Lettres d'examen physique , soutient qu'une nouvelle perspective non quantique peut aider à esquisser les limites de ce paysage et potentiellement même révéler une nouvelle physique dans les expériences futures.

La nouvelle perspective implique un outil mathématique - une mesure standard de la difficulté de calcul connue sous le nom de complexité d'échantillonnage - qui évalue à quel point il est facile ou difficile pour un ordinateur ordinaire de simuler le résultat d'une expérience quantique. Parce que les prédictions de la physique quantique sont probabilistes, une seule expérience ne pourrait jamais vérifier que ces prédictions sont exactes. Vous auriez besoin d'effectuer de nombreuses expériences, tout comme vous auriez besoin de lancer une pièce plusieurs fois pour vous convaincre que vous tenez un quotidien, nickel impartial.

Si un ordinateur ordinaire prend un temps raisonnable pour imiter une série d'expériences quantiques, en produisant des échantillons avec approximativement les mêmes probabilités que la réalité, la complexité de l'échantillonnage est faible; si cela prend du temps, la complexité d'échantillonnage est élevée.

Peu de gens s'attendent à ce que les ordinateurs quantiques utilisant beaucoup de qubits aient une faible complexité d'échantillonnage - après tout, les ordinateurs quantiques devraient être plus puissants que les ordinateurs ordinaires, donc les simuler sur votre ordinateur portable devrait être difficile. Mais alors que la puissance des ordinateurs quantiques reste à prouver, explorer le croisement d'une complexité faible à une complexité élevée pourrait offrir de nouvelles perspectives sur les capacités des premiers dispositifs quantiques, dit Alexey Gorshkov, un membre JQI et QuICS qui est co-auteur du nouvel article.

« La complexité de l'échantillonnage est restée un outil sous-estimé, " Gorchkov dit, en grande partie parce que les petits appareils quantiques ne sont devenus fiables que récemment. "Ces appareils font maintenant essentiellement de l'échantillonnage quantique, et simuler cela est au cœur de tout notre domaine."

Pour démontrer l'utilité de cette approche, Gorshkov et plusieurs collaborateurs ont prouvé que la complexité de l'échantillonnage suit la transition facile à difficile d'une tâche que les ordinateurs quantiques de petite et moyenne taille sont censés effectuer plus rapidement que les ordinateurs ordinaires :l'échantillonnage de bosons.

Les bosons sont l'une des deux familles de particules fondamentales (l'autre étant les fermions). En général, deux bosons peuvent interagir entre eux, mais ce n'est pas le cas pour le problème d'échantillonnage des bosons. "Même s'ils n'interagissent pas dans ce problème, les bosons sont en quelque sorte assez intéressants pour que l'échantillonnage des bosons mérite d'être étudié, " dit Abhinav Deshpande, un étudiant diplômé à JQI et QuICS et l'auteur principal de l'article.

Dans le problème d'échantillonnage des bosons, un nombre fixe de particules identiques sont autorisés à sauter sur une grille, s'étalant en superpositions quantiques sur de nombreux sites de grille. Résoudre le problème signifie échantillonner à partir de ce nuage de probabilité quantique barbouillé, quelque chose qu'un ordinateur quantique n'aurait aucun mal à faire.

Deshpande, Gorshkov et leurs collègues ont prouvé qu'il existe une transition nette entre la facilité et la difficulté de simuler l'échantillonnage de bosons sur un ordinateur ordinaire. Si vous commencez avec quelques bosons bien séparés et que vous ne les laissez que brièvement sauter, la complexité d'échantillonnage reste faible et le problème est facile à simuler. Mais si vous attendez plus longtemps, un ordinateur ordinaire n'a aucune chance de capturer le comportement quantique, et le problème devient difficile à simuler.

Le résultat est intuitif, Deshpande dit, étant donné que pendant de courtes périodes, les bosons sont encore relativement proches de leurs positions de départ et que peu de leur "quantité" n'a émergé. Pour des temps plus longs, bien que, il y a une explosion de possibilités pour savoir où un boson donné peut aboutir. Et parce qu'il est impossible de distinguer deux bosons identiques l'un de l'autre, plus tu les laisses faire le tour, plus ils sont susceptibles d'échanger tranquillement de place et de compliquer davantage les probabilités quantiques. De cette façon, le changement dramatique dans la complexité de l'échantillonnage est lié à un changement dans la physique :les choses ne deviennent pas trop difficiles jusqu'à ce que les bosons sautent assez loin pour changer de place.

Gorshkov dit que la recherche de changements comme celui-ci dans la complexité de l'échantillonnage peut aider à découvrir des transitions physiques dans d'autres tâches ou expériences quantiques. Inversement, un manque d'augmentation de la complexité peut exclure un avantage quantique pour les appareils trop sujets aux erreurs. Dans les deux cas, Gorchkov dit, les résultats futurs découlant de ce changement de perspective devraient être intéressants. "Un examen plus approfondi de l'utilisation de la théorie de la complexité d'échantillonnage de l'informatique pour étudier la physique quantique à N corps nous apprendra forcément quelque chose de nouveau et d'excitant dans les deux domaines, " il dit.