Crédit :IQOQI Innsbruck/M.R.Knabl
Avec un coprocesseur quantique dans le cloud, physiciens d'Innsbruck, L'Autriche, ouvrir la porte à la simulation de problèmes auparavant insolubles en chimie, la recherche sur les matériaux ou la physique des hautes énergies. Les groupes de recherche dirigés par Rainer Blatt et Peter Zoller rapportent dans la revue La nature comment ils ont simulé des phénomènes de physique des particules sur 20 bits quantiques et comment le simulateur quantique a auto-vérifié le résultat pour la première fois.
De nombreux scientifiques travaillent actuellement à étudier comment l'avantage quantique peut être exploité sur du matériel déjà disponible aujourd'hui. Il y a trois ans, les physiciens ont d'abord simulé la formation spontanée d'une paire de particules élémentaires avec un ordinateur quantique numérique à l'Université d'Innsbruck. En raison du taux d'erreur, cependant, des simulations plus complexes nécessiteraient un grand nombre de bits quantiques qui ne sont pas encore disponibles dans les ordinateurs quantiques d'aujourd'hui. La simulation analogique de systèmes quantiques dans un ordinateur quantique a également des limites étroites. En utilisant une nouvelle méthode, chercheurs autour de Christian Kokail, Christine Maier et Rick van Bijnen de l'Institut d'optique quantique et d'information quantique (IQOQI) de l'Académie autrichienne des sciences ont désormais dépassé ces limites. Ils utilisent un ordinateur quantique à piège à ions programmable avec 20 bits quantiques comme coprocesseur quantique, dans lequel les calculs de mécanique quantique qui atteignent les limites des ordinateurs classiques sont sous-traités. "Nous utilisons les meilleures fonctionnalités des deux technologies, " explique la physicienne expérimentale Christine Maier. " Le simulateur quantique prend en charge les problèmes quantiques complexes du point de vue informatique et l'ordinateur classique résout les tâches restantes. "
Boîte à outils pour les modélisateurs quantiques
Les scientifiques utilisent la méthode variationnelle connue de la physique théorique, mais l'appliquer sur leur expérience quantique. "L'avantage de cette méthode réside dans le fait que l'on peut utiliser le simulateur quantique comme une ressource quantique indépendante du problème étudié, " explique Rick van Bijnen. " De cette façon, nous pouvons simuler des problèmes beaucoup plus complexes. " Une simple comparaison montre la différence :un simulateur quantique analogique est comme une maison de poupée, il représente la réalité. Le simulateur quantique variationnel programmable, d'autre part, propose des blocs de construction individuels avec lesquels de nombreuses maisons différentes peuvent être construites. Dans les simulateurs quantiques, ces blocs de construction sont des portes d'enchevêtrement et des rotations à rotation unique. Avec un ordinateur classique, cet ensemble de boutons est réglé jusqu'à ce que l'état quantique souhaité soit atteint. Pour cela, les physiciens ont développé un algorithme d'optimisation sophistiqué qui, dans environ 100, 000 requêtes du coprocesseur quantique par l'ordinateur classique aboutissent au résultat. Couplé aux cycles de mesure extrêmement rapides de l'expérience quantique, le simulateur de l'IQOQI Innsbruck devient extrêmement puissant. Pour la première fois, les physiciens ont simulé la création et la destruction spontanées de paires de particules élémentaires dans le vide sur 20 bits quantiques. Comme la nouvelle méthode est très efficace, il peut également être utilisé sur des simulateurs quantiques encore plus grands. Les chercheurs d'Innsbruck prévoient de construire un simulateur quantique avec jusqu'à 50 ions dans un avenir proche. Cela ouvre des perspectives intéressantes pour d'autres investigations sur les modèles à l'état solide et les problèmes de physique des hautes énergies.
Autocontrôle intégré
Un problème non résolu auparavant dans les simulations quantiques complexes est la vérification des résultats de simulation. "De tels calculs peuvent difficilement ou pas du tout être vérifiés à l'aide d'ordinateurs classiques. Alors, comment pouvons-nous vérifier si le système quantique fournit le bon résultat, " demande le physicien théoricien Christian Kokail. " Nous avons résolu cette question pour la première fois en effectuant des mesures supplémentaires dans le système quantique. Sur la base des résultats, la machine quantique évalue la qualité de la simulation, " explique Kokail. Un tel mécanisme de vérification est le préalable à des simulations quantiques encore plus complexes, car le nombre nécessaire de bits quantiques augmente fortement. "On peut encore tester la simulation sur 20 bits quantiques sur un ordinateur classique, mais avec des simulations plus complexes, ce n'est tout simplement plus possible, " dit Rick van Bijnen. " Dans notre étude, l'expérience quantique était encore plus rapide que la simulation de contrôle sur PC. À la fin, nous avons dû le sortir de la course pour ne pas ralentir l'expérimentation, " dit le physicien.