Les règles de la mécanique quantique décrivent comment les atomes et les molécules agissent très différemment du monde qui nous entoure. Les scientifiques ont fait des progrès pour élucider ces règles, essentielles pour trouver des moyens de fabriquer de nouvelles molécules et de meilleures technologies, mais certaines sont si complexes qu'elles échappent à la vérification expérimentale.

Avec l'avènement des ordinateurs quantiques en libre accès, des scientifiques de l'Université de Chicago ont vu une opportunité de faire une expérience très inhabituelle pour tester certains de ces principes quantiques. Leur étude, paru le 31 janvier dans Nature Communications Physique , détourne essentiellement un ordinateur quantique pour découvrir des vérités fondamentales sur le comportement quantique des électrons dans les molécules.

"L'informatique quantique est un domaine vraiment passionnant pour explorer des questions fondamentales. Elle nous permet d'observer des aspects de la théorie quantique qui sont absolument intouchables avec les ordinateurs classiques, " a déclaré le professeur David Mazziotti, professeur de chimie et auteur sur le papier.

Une règle particulière de la mécanique quantique, appelé principe d'exclusion de Pauli, est que deux électrons ne peuvent pas occuper en même temps la même position dans l'espace. Dans de nombreux cas, les électrons d'une molécule subissent des restrictions supplémentaires sur leurs emplacements ; celles-ci sont connues sous le nom de contraintes de Pauli généralisées. "Ces règles informent la façon dont toutes les molécules et la matière se forment, " dit Mazziotti.

Dans cette étude, Mazziotti, Le professeur David Shuster et l'étudiant diplômé Scott Smart ont créé un ensemble d'algorithmes qui demanderaient à l'ordinateur Q Experience d'IBM de générer au hasard des états quantiques dans des systèmes à trois électrons, puis mesurez l'emplacement le plus probable des électrons.

"Supposons que les contraintes généralisées de Pauli ne soient pas vraies :dans ce scénario, environ la moitié des états quantiques présenteraient une violation, " dit Smart, le premier auteur sur le papier. Au lieu, dans les nombreux états quantiques formés, ils ont découvert que les violations des contraintes de Pauli généralisées se produisaient très rarement dans un schéma compatible avec le bruit dans le circuit quantique.

Les résultats fournissent une solide vérification expérimentale, disaient les scientifiques.

"Les contraintes de Pauli généralisées les plus simples ont été découvertes théoriquement sur un ordinateur classique chez IBM au début des années 1970, il est donc normal que, pour la première fois, ils soient vérifiés expérimentalement sur un ordinateur quantique IBM, " a déclaré Mazziotti.

La découverte est une autre percée à la frontière des efforts quantiques à l'Université; les efforts récents ont inclus un "téléporteur quantique à trois laboratoires, " des pas vers des capteurs quantiques plus puissants, et une collaboration pour développer des algorithmes pour les ordinateurs quantiques émergents.

Une question ouverte est de savoir comment les contraintes de Pauli généralisées peuvent être utiles pour améliorer la technologie quantique. "Ils contribueront potentiellement à la réalisation de calculs quantiques plus efficaces ainsi qu'à de meilleurs schémas de correction d'erreurs, essentiels pour que les ordinateurs quantiques atteignent leur plein potentiel, " a déclaré Mazziotti.