Un groupe de scientifiques du laboratoire Fermi du ministère de l'Énergie a découvert comment utiliser l'informatique quantique pour simuler les interactions fondamentales qui maintiennent notre univers ensemble.

Dans un article publié en Lettres d'examen physique , Les chercheurs du Fermilab comblent une lacune évidente dans la modélisation du monde subatomique à l'aide d'ordinateurs quantiques, s'adressant à une famille de particules qui, jusque récemment, a été relativement négligée dans les simulations quantiques.

Les particules fondamentales qui composent notre univers peuvent être divisées en deux groupes :les particules appelées fermions, qui sont les éléments constitutifs de la matière, et des particules appelées bosons, qui sont des particules de champ et tirent sur les particules de matière.

Dans les années récentes, les scientifiques ont développé avec succès des algorithmes quantiques pour calculer des systèmes constitués de fermions. Mais ils ont eu beaucoup plus de mal à faire de même pour les systèmes de bosons.

Pour la première fois, Le scientifique du Fermilab, Alexandru Macridin, a trouvé un moyen de modéliser des systèmes contenant à la fois des fermions et des bosons sur des ordinateurs quantiques à usage général, ouvrant la porte à des simulations réalistes du domaine subatomique. Ses travaux font partie du programme de science quantique du Fermilab.

"La représentation des bosons en informatique quantique n'a jamais été très bien abordée dans la littérature auparavant, " dit Macridin. " Notre méthode a fonctionné, et mieux que ce à quoi nous nous attendions."

La relative obscurité des bosons dans la littérature sur l'informatique quantique est en partie liée aux bosons eux-mêmes et en partie à la manière dont la recherche en informatique quantique a évolué.

Au cours de la dernière décennie, le développement d'algorithmes quantiques fortement axés sur la simulation de systèmes purement fermioniques, comme les molécules en chimie quantique.

"Mais en physique des hautes énergies, nous avons aussi des bosons, et les physiciens des hautes énergies s'intéressent particulièrement aux interactions entre bosons et fermions, " a déclaré Jim Amundson, scientifique du Fermilab, co-auteur de l'article Physical Review Letters. "Nous avons donc pris les modèles de fermions existants et les avons étendus pour inclure les bosons, et nous l'avons fait d'une manière nouvelle."

Le plus grand obstacle à la modélisation des bosons était lié aux propriétés d'un qubit, un bit quantique.

Cartographier les états

Un qubit a deux états :un et zéro.

De la même manière, un état de fermion a deux modes distincts :occupé et inoccupé.

La propriété à deux états du qubit signifie qu'il peut représenter un état de fermion assez simplement :un état qubit est attribué à « occupé, " et l'autre, "inoccupé."

(Vous vous souvenez peut-être de l'occupation des états de la chimie du lycée :les orbitales électroniques d'un atome peuvent chacune être occupées par un maximum d'un électron. Elles sont donc occupées ou non. Ces orbitales, à son tour, se combinent pour former les couches d'électrons qui entourent le noyau.)

Le mappage un à un entre l'état du qubit et l'état du fermion permet de déterminer facilement le nombre de qubits dont vous aurez besoin pour simuler un processus fermionique. Si vous avez affaire à un système de 40 états de fermions, comme une molécule avec 40 orbitales, vous aurez besoin de 40 qubits pour le représenter.

Dans une simulation quantique, un chercheur met en place des qubits pour représenter l'état initial de, dire, un processus moléculaire. Ensuite, les qubits sont manipulés selon un algorithme qui reflète l'évolution de ce processus.

Les processus plus complexes nécessitent un plus grand nombre de qubits. Au fur et à mesure que le nombre augmente, il en va de même de la puissance de calcul nécessaire pour le réaliser. Mais même avec seulement une poignée de qubits à sa disposition, les chercheurs sont capables d'aborder des problèmes intéressants liés aux processus des fermions.

"Il existe une théorie bien développée sur la façon de mapper des fermions sur des qubits, " a déclaré Roni Harnik, théoricien du Fermilab, un co-auteur de l'article.

Bosons, particules de force de la nature, sont une autre histoire. La tâche de les cartographier se complique rapidement. C'est en partie parce que, contrairement au restreint, état de fermion à deux choix, les états de bosons sont très accommodants.

Les bosons accommodants

Puisqu'un seul fermion peut occuper un état quantique de fermion particulier, cet état est soit occupé, soit non, un ou zéro.

En revanche, un état de boson peut être occupé de manière variable, hébergeant un boson, un million de bosons, ou quoi que ce soit entre les deux. Cela rend difficile la correspondance entre les bosons et les qubits. Avec seulement deux états possibles, un seul qubit ne peut pas, par lui-même, représentent un état de boson.

Avec des bosons, la question n'est pas de savoir si le qubit représente un état occupé ou inoccupé, mais plutôt, combien de qubits sont nécessaires pour représenter l'état du boson.

"Les scientifiques ont trouvé des moyens d'encoder les bosons en qubits qui nécessiteraient un grand nombre de qubits pour vous donner des résultats précis, " a déclaré Amundson.

Un nombre prohibitif, dans de nombreux cas. Par certaines méthodes, une simulation utile aurait besoin de millions de qubits pour modéliser fidèlement un processus de boson, comme la transformation d'une particule qui produit finalement une particule de lumière, qui est un type de boson.

Et c'est juste pour représenter la configuration initiale du processus, sans parler de le laisser évoluer.

La solution de Macridine était de refondre le système des bosons en quelque chose d'autre, quelque chose de très familier aux physiciens :un oscillateur harmonique.

Les oscillateurs harmoniques sont partout dans la nature, de l'échelle subatomique à l'échelle astronomique. La vibration des molécules, l'impulsion de courant à travers un circuit, le mouvement de va-et-vient d'un ressort chargé, le mouvement d'une planète autour d'une étoile, tous sont des oscillateurs harmoniques. Même les particules bosoniques, comme ceux que Macrdin cherchait à simuler, peuvent être traités comme de minuscules oscillateurs harmoniques. Grâce à leur ubiquité, les oscillateurs harmoniques sont bien compris et peuvent être modélisés avec précision.

Avec une formation en physique de la matière condensée - l'étude de la nature à quelques crans au-dessus de sa base de particules - Macridin était familier avec la modélisation d'oscillateurs harmoniques dans les cristaux. Il a trouvé un moyen de représenter un oscillateur harmonique sur un ordinateur quantique, cartographier ces systèmes en qubits avec une précision exceptionnelle et permettre la simulation précise de bosons sur des ordinateurs quantiques.

Et à faible coût en qubit :Représenter un oscillateur harmonique discret sur un ordinateur quantique ne nécessite que quelques qubits, même si l'oscillateur représente un grand nombre de bosons.

"Notre méthode nécessite un nombre relativement petit de qubits pour les états de bosons - exponentiellement plus petit que ce qui a été proposé par d'autres groupes auparavant, " dit Macridin. " Pour que d'autres méthodes fassent la même chose, ils auraient probablement besoin d'un plus grand nombre de qubits d'ordres de grandeur."

Macridine estime que six qubits par état de boson sont suffisants pour explorer des problèmes de physique intéressants.

Succès de la simulation

À titre d'essai de la méthode de cartographie de Macridine, le groupe Fermilab a d'abord exploité la théorie quantique des champs, une branche de la physique qui se concentre sur la modélisation des structures subatomiques. Ils ont réussi à modéliser l'interaction des électrons dans un cristal avec les vibrations des atomes qui forment le cristal. L'« unité » de cette vibration est un boson appelé phonon.

À l'aide d'un simulateur quantique au Laboratoire national d'Argonne à proximité, ils ont modélisé le système électron-phonon et — voilà ! — ils ont montré qu'ils pouvaient calculer, avec une grande précision, les propriétés du système en utilisant seulement environ 20 qubits. Le simulateur est un ordinateur classique qui simule comment un ordinateur quantique, jusqu'à 35 qubits, travaux. Les chercheurs d'Argonne tirent parti du simulateur et de leur expertise en algorithmes évolutifs pour explorer l'impact potentiel de l'informatique quantique dans des domaines clés tels que la chimie quantique et les matériaux quantiques.

"Nous avons montré que la technique fonctionnait, " dit Harnik.

Ils ont en outre montré que, en représentant les bosons comme des oscillateurs harmoniques, on pourrait décrire de manière efficace et précise des systèmes impliquant des interactions fermions-bosons.

« Cela s'est avéré être un bon ajustement, " a déclaré Amundson.

"J'avais commencé avec une idée, et ça n'a pas marché, alors j'ai changé la représentation des bosons, " dit Macridin. " Et ça a bien marché. Cela rend la simulation de systèmes fermions-bosons réalisables pour les ordinateurs quantiques à court terme. »

Application universelle

La simulation du groupe Fermilab n'est pas la première fois que des scientifiques modélisent des bosons dans des ordinateurs quantiques. Mais dans les autres cas, les scientifiques ont utilisé du matériel spécialement conçu pour simuler des bosons, donc l'évolution simulée d'un système de bosons se produirait naturellement, pour ainsi dire, sur ces ordinateurs spéciaux.

L'approche du groupe Fermilab est la première qui puisse être appliquée efficacement dans un cadre polyvalent, ordinateur quantique numérique, également appelé ordinateur quantique universel.

La prochaine étape pour Macridine, Amundson et d'autres physiciens des particules du Laboratoire Fermi vont utiliser leur méthode sur des problèmes de physique des hautes énergies.

"Dans la nature, les interactions fermion-boson sont fondamentales. Ils apparaissent partout, " a déclaré Macridin. "Maintenant, nous pouvons étendre notre algorithme à diverses théories dans notre domaine."

Leurs réalisations vont au-delà de la physique des particules. Amundson dit que leur groupe a entendu des scientifiques des matériaux qui pensent que le travail pourrait être utile pour résoudre des problèmes du monde réel dans un avenir prévisible.

"Nous avons introduit les bosons d'une nouvelle manière qui nécessite moins de ressources, " Amundson a déclaré. "Cela ouvre vraiment une toute nouvelle classe de simulations quantiques."