Une nouvelle forme d'informatique puissante pourrait aider les scientifiques à concevoir de nouveaux types de matériaux pour la nanoélectronique, permettre aux compagnies aériennes de résoudre des problèmes logistiques complexes pour assurer les vols à l'heure, et lutter contre les embouteillages pour que les voitures circulent plus librement sur les routes très fréquentées.

Alors que les ordinateurs numériques modernes sont capables de prouesses de calcul impressionnantes, il y a des problèmes avec lesquels même les supercalculateurs les plus avancés sont aux prises. Mais les chercheurs pensent que de nouveaux ordinateurs qui exploitent la puissance de la mécanique quantique, qui régissent le comportement étrange des particules microscopiques comme les bosons, fermions, et n'importe qui pourrait s'attaquer à ces problèmes en quelques secondes.

La construction d'ordinateurs quantiques à usage général s'est avérée exceptionnellement difficile et actuellement, seule une poignée de machines coûteuses sont en cours de développement.

Certains scientifiques adoptent plutôt une autre approche en construisant des systèmes informatiques connus sous le nom de simulateurs quantiques analogiques dans le but de trouver un raccourci vers certaines des réponses que les ordinateurs quantiques promettent de fournir.

Ces simulateurs sont conçus pour explorer des propriétés spécifiques de la physique quantique en modélisant le comportement des plus petites particules de l'univers. Cela peut à son tour être appliqué pour résoudre des problèmes complexes dans le monde entier qui sont actuellement impossibles à résoudre ou pourraient prendre toute une vie pour le faire à l'aide d'ordinateurs classiques.

« L'analogie que j'aime vraiment est que les simulateurs quantiques analogiques sont un peu comme une soufflerie, " a déclaré le professeur Andrew Daley, un physicien à l'université de Strathclyde, ROYAUME-UNI, et membre du projet PASQuanS. «Il y a quelques décennies, il était impossible de simuler le flux d'air sur un ordinateur, alors vous construisiez un modèle à l'échelle et le mettiez dans une soufflerie.

« Mais avec la simulation quantique analogique, la mise à l'échelle va dans l'autre sens, plutôt que de créer une version plus petite, vous en faites un plus gros. Cela le rend plus contrôlable et il est donc plus facile d'apprendre les détails de la façon dont quelque chose pourrait fonctionner.

Élargis

Réunissant une équipe de chercheurs de toute l'Europe, le projet tente de construire certains des simulateurs quantiques analogiques les plus puissants à ce jour en utilisant des atomes et des ions comme modèles à grande échelle de particules subatomiques.

Par exemple, atomes ultrafroids, qui ont été refroidis à quelques degrés au-dessus du zéro absolu, peut être suspendu dans un réseau formé par la lumière laser pour simuler la façon dont les électrons pourraient se déplacer dans un cristal. Jusque là, les simulateurs quantiques de pointe utilisent environ 100 atomes ultrafroids ou jusqu'à 20 ions dans leurs modèles, mais l'équipe espère booster ses systèmes pour en avoir plus de 1, 000 atomes et jusqu'à 50 ions.

Cela pourrait pousser la puissance de ces simulateurs bien au-delà de ce qui est possible avec le calcul classique dans un délai beaucoup plus court que ce qui serait possible en construisant un ordinateur quantique général, dit le professeur Daley.

Un défi majeur consiste à rendre les simulateurs plus contrôlables et programmables. Les chercheurs impliqués dans le projet développent de nouvelles techniques de contrôle des atomes, comme les piéger avec des « pincettes » laser, exciter des atomes sélectionnés dans des états de haute énergie ou les déplacer afin qu'ils interagissent de différentes manières.

« Le bit programmable vise à rendre ces systèmes hautement contrôlables, de manière bien calibrée, au niveau des sites individuels de treillis, des ions individuels ou des atomes individuels, " a déclaré le professeur Daley.

Alors que ces simulateurs pourraient aider les physiciens à résoudre des questions difficiles sur le comportement des particules dans les systèmes quantiques, ils peuvent également être utilisés pour résoudre des problèmes plus vastes du monde réel, trop.

Algorithmes de recuit quantique, par exemple, exploiter une bizarrerie de la physique quantique selon laquelle les particules subatomiques, les atomes et les molécules plus grosses peuvent trouver le chemin de moindre résistance lors du changement d'état d'énergie. Cela peut être comparé à essayer de faire rouler une balle sur une colline pour atteindre une vallée plus profonde de l'autre côté - si la balle n'est pas suffisamment poussée, il n'aura pas l'énergie nécessaire pour atteindre le sommet de la colline et roulera simplement en arrière. Particules quantiques, par comparaison, peuvent contourner les pics d'énergie qu'ils doivent surmonter en les traversant simplement par tunnel.

Optimiser

Cette capacité à trouver plus facilement des états de faible énergie signifie que le recuit quantique peut être utilisé pour trouver des moyens d'optimiser des réseaux de trafic complexes ou des chaînes logistiques alambiquées.

« Nous pouvons prendre un problème ailleurs et le mapper sur l'interaction entre les atomes ou les ions, " a déclaré le professeur Daley. « Ensuite, nous pouvons commencer à poser des questions pour trouver la configuration la plus basse possible en énergie. »

De grandes entreprises comme Airbus, Le total, Bosch, Electricité de France (EDF) et Siemens ont déjà manifesté leur intérêt à explorer cette approche. Les chercheurs des entreprises travaillent avec le projet pour tenter de trouver des applications potentielles pouvant être appliquées à leurs opérations commerciales.

En avion, par exemple, il pourrait être utilisé pour aider à garantir que les avions et les équipages des compagnies aériennes sont au bon endroit pour que les vols se déroulent sans heurts.

Il pourrait également être utilisé pour modéliser rapidement la meilleure façon de rediriger le trafic sur les routes très fréquentées afin d'éviter les embouteillages et de réduire la pollution.

« Nous avons mis en place un forum d'utilisateurs finaux pour avoir des idées spécifiques sur le type de problèmes qui peuvent être mis en œuvre sur des plates-formes de simulation quantique analogiques, " a déclaré le professeur Daley. "Ce sont de gros problèmes particulièrement intéressants pour l'industrie que nous pourrions ensuite imiter sur nos systèmes."

La puissance des simulateurs quantiques va au-delà de la recherche de moyens d'optimiser les processus. Le professeur Daley et ses collègues affirment que l'une des premières applications de leurs simulateurs quantiques sera d'aider à concevoir de nouveaux matériaux, y compris pour la nanoélectronique et les supraconducteurs.

C'est quelque chose que le projet Qombs poursuit également en créant une simulation quantique analogique pour concevoir une nouvelle génération de matériau capable de produire des lasers infrarouges hautement réglables. La longueur d'onde ou la couleur des lasers modernes est déterminée par les éléments de la diode utilisée pour générer la lumière.

Mais en faisant croître des cristaux qui contiennent différentes concentrations de métaux comme l'aluminium, gallium et arsenic en couches, les chercheurs à l'origine du projet veulent créer des matériaux semi-conducteurs capables de produire de la lumière laser à des longueurs d'onde qui seraient autrement impossibles. Ces dispositifs sont connus sous le nom de lasers à cascade quantique.

Lasers

« Nous utilisons des simulations quantiques pour optimiser et obtenir de nouvelles fonctionnalités qui amélioreront les performances possibles avec les lasers à cascade quantique aujourd'hui, " a déclaré le Dr Francesco Cappelli, chercheur à l'Institut National d'Optique de Florence, Italie, et membre de l'équipe Qombs.

En simulant le comportement des électrons et des photons dans différentes structures et concentrations de métaux, l'équipe espère mieux contrôler la longueur d'onde de la lumière produite par les appareils.

En cas de succès, cela pourrait conduire à des appareils capables de produire de la lumière avec des longueurs d'onde extrêmement longues qui s'étendent dans l'infrarouge moyen et lointain, quelque chose qui est actuellement inaccessible.

« Ceux-ci pourraient être utilisés dans la communication, comme la lumière n'est pas absorbée par les gaz de l'atmosphère à ces longueurs d'onde, ' a déclaré le Dr Cappelli. "Non seulement l'atmosphère est transparente, mais la diffusion due à l'humidité et à la poussière est également réduite par rapport aux lasers visibles.'

Le réglage des lasers sur des longueurs d'onde spécifiques pourrait également leur permettre d'être utilisés dans des capteurs pour détecter des gaz spécifiques, tels que des polluants ou d'autres substances nocives.

Un laser à cascade quantique réglé pour émettre de la lumière avec la longueur d'onde exacte absorbée par le dioxyde d'azote, par exemple, pourrait être utilisé pour mesurer avec précision les niveaux de gaz dans les zones urbaines.

"Concevoir des cristaux semi-conducteurs avec ce genre de propriétés ne serait jamais possible sur des ordinateurs classiques, ' a déclaré le Dr Capelli.

La puissance de l'informatique quantique

Dans les ordinateurs traditionnels, les informations sont contenues dans des chiffres binaires, ou des morceaux, qui contiennent une valeur unique de 1 ou 0.

Dans les systèmes quantiques, les particules subatomiques peuvent exister non seulement dans des états binaires 1 ou 0, mais ils contiennent plusieurs combinaisons de 1 et 0 en même temps pour former un "qubit". Comme un qubit peut valoir 1, 0, ou 1 et 0 à la fois, cela signifie que beaucoup plus de calculs peuvent être effectués simultanément.

Encore plus bizarrement, des paires de qubits peuvent également s'emmêler de sorte que lorsque l'état de l'un est modifié, l'autre change instantanément avec lui, même s'ils sont séparés par de grandes distances. Ce phénomène mystérieux augmente de façon exponentielle la capacité de calcul des nombres d'une machine quantique.