Des recherches intensives sont menées sur les simulateurs quantiques :ils promettent de calculer précisément les propriétés des systèmes quantiques complexes, lorsque les ordinateurs conventionnels et même les supercalculateurs tombent en panne. Dans un projet coopératif, Les théoriciens de l'Institut Max Planck d'optique quantique de Garching et du Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ont maintenant développé une nouvelle boîte à outils pour les simulateurs quantiques et l'ont publiée dans Avancées scientifiques . Il utilise le principe de topologie lauréat du prix Nobel pour autoriser les bits quantiques, par exemple des atomes individuels, communiquer entre eux via des "canaux radio topologiques". Les "canaux radio" sont fournis par un champ lumineux qui se déplace en guide d'ondes de manière robuste à l'aide de la topologie. Le concept offre de la place pour des idées complètement nouvelles, allant de la recherche fondamentale à l'information quantique.

« Comment pouvons-nous faire « parler » deux bits quantiques distants ? » demande Alejandro González-Tudela. "C'est un enjeu essentiel dans le domaine de l'information quantique et de la simulation !" Jusque récemment, le physicien théoricien était post-doctorant dans le département d'Ignacio Cirac, directeur au Max Planck Institute of Quantum Optics à Garching, et aujourd'hui, il est chercheur permanent à l'Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC à Madrid. Avec Cirac et deux collègues espagnols de l'Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid, il vient de publier un article scientifique qui présente une toute nouvelle boîte à outils en photonique. La photonique est une branche de la physique qui traite de l'interaction entre la lumière et la matière et de ses applications techniques.

Une application possible est la simulation dite quantique, qui remonte à une idée du célèbre prix Nobel américain Richard Feynman. Si l'on veut calculer le comportement d'un système quantique le plus précisément possible sur un ordinateur classique, la puissance de calcul nécessaire double à chaque nouvelle particule quantique dans le système. A cause de cette avalanche mathématique, même des systèmes quantiques relativement petits, composés de quelques dizaines de particules seulement, dépassent les performances des supercalculateurs conventionnels. Pour cette raison, Feynman a eu l'idée il y a des décennies de simuler le comportement d'un système quantique à l'aide d'un autre système quantique. En principe, un tel simulateur quantique est un ordinateur quantique spécialisé dont les bits quantiques individuels peuvent être facilement contrôlés de l'extérieur, contrairement au système quantique plutôt inaccessible dont il est censé simuler le comportement.

De tels simulateurs quantiques font l'objet de recherches intensives depuis de nombreuses années. Par exemple, ils promettent de fournir une meilleure compréhension des propriétés des matériaux telles que la supraconductivité ou le magnétisme complexe. Ils jouent également un rôle important à l'Institut de Garching. Par exemple, un simulateur peut consister en un nuage d'atomes ultrafroids piégés dans un réseau spatial de lumière laser. Si ces bits quantiques - ou qubits en abrégé - doivent interagir les uns avec les autres, ils le font en échangeant des quanta de lumière, photons. Cependant, un atome émet normalement un tel photon dans une direction aléatoire. Il serait beaucoup plus efficace pour les simulations quantiques si le qubit pouvait cibler son photon directement sur son prochain ou son prochain voisin.

Radio à photons robuste

González-Tudela et son équipe ont maintenant développé un principe théorique qui permet une telle « radio photon » ciblée entre les atomes. "Nous devons emballer les qubits et les photons dans un guide d'ondes, " explique le théoricien. Cependant, comment « câbler » un ensemble d'atomes flottant dans une grille lumineuse dans l'espace avec de tels guides d'ondes et les faire parler de manière robuste ? La réponse des quatre théoriciens est :avec une lumière extrêmement délicate.

L'astuce consiste essentiellement à transférer le concept mathématique de topologie de la physique du solide à la photonique. En physique du solide, il a déclenché un véritable battage médiatique ces dernières années car il peut produire de tout nouveaux, propriétés matérielles jusque-là inconnues. En 2016, les trois physiciens britanniques David Thouless, Duncan Haldane et Michael Kosterlitz ont reçu le prix Nobel de physique pour avoir introduit avec succès des concepts topologiques dans la physique des solides. En principe, la question est de savoir combien de trous un corps géométrique a. Une tasse de café, par exemple, a un trou dans sa poignée tout comme un anneau de beignet en son centre, et donc les deux ont le numéro topologique un. La conséquence :d'un point de vue purement géométrique, la tasse et le beignet peuvent facilement être transformés l'un dans l'autre. D'autre part, une violente résistance topologique est rencontrée lorsqu'un beignet à un trou doit être transformé en un bretzel à trois trous.

En physique, cette règle du nombre de trous a pour conséquence que la topologie peut stabiliser énormément certaines propriétés physiques contre les perturbations. Et cela conduit au deuxième défi majeur de l'information quantique et donc de la simulation quantique :les perturbations omniprésentes provoquent la désintégration rapide de l'information quantique hautement sensible.

"Cette soi-disant décohérence est le plus gros problème de l'information quantique, " dit González-Tudela. Les propriétés captivantes de la topologie ont rapidement conduit des esprits intelligents à la conclusion que les bits quantiques sensibles pourraient être emballés dans des systèmes physiques avec de telles propriétés topologiques. par exemple, et de grandes entreprises telles que Microsoft investissent également massivement dans cette recherche.

Boîte à outils topologique

González-Tudela et ses trois co-auteurs ont maintenant conçu une boîte à outils avec laquelle de tels concepts topologiques peuvent être transférés en photonique. Certains systèmes, comme les atomes ultrafroids dans les grilles lumineuses, sont déjà très avancés dans leur contrôlabilité. Ils offrent donc de nombreuses possibilités de simulation quantique. La boîte à outils des quatre théoriciens ouvre un nouvel espace pour de nombreuses idées créatives. Tout simplement, il se compose d'un ensemble de bits quantiques, par exemple des atomes isolés disposés en ligne. Ils peuvent interagir avec un système intelligemment construit, "bain de lumière" linéaire qui se comporte comme le guide d'ondes que les physiciens théoriciens recherchaient.

Si l'on manipule maintenant les différentes vis de réglage du système, les bits quantiques peuvent échanger des photons à volonté via ce guide d'ondes. Mais pas seulement :par exemple, un qubit peut envoyer ses informations dans un sens, mais restent complètement sombres dans la direction opposée. De telles interactions sont extrêmement difficiles à produire dans le micro monde des atomes.

Ainsi, la boîte à outils des quatre théoriciens offre de nombreuses nouvelles possibilités pour faire communiquer les bits quantiques entre eux. C'est exactement ce dont les futurs simulateurs quantiques ont besoin. Le concept est également universel :il peut également être réalisé dans certains systèmes quantiques composés de nombreux qubits actuellement en cours de recherche. Le nouveau travail des quatre théoriciens pourrait devenir le noyau d'idées complètement nouvelles, allant de la recherche fondamentale pure à l'information quantique.