Une nouvelle technique pour étudier les propriétés des molécules et des matériaux sur un simulateur quantique a été découverte.

La nouvelle technique révolutionnaire, par le physicien Oleksandr Kyriienko de l'Université d'Exeter, pourrait ouvrir une nouvelle voie vers la prochaine génération d'informatique quantique.

Les méthodes actuelles de calcul quantique pour étudier les propriétés des molécules et des matériaux à une échelle aussi infime reposent sur un ordinateur quantique idéal tolérant aux pannes ou sur des techniques variationnelles.

Cette nouvelle approche proposée, repose plutôt sur la mise en œuvre de l'évolution quantique qui serait facilement disponible dans de nombreux systèmes. L'approche est favorable aux configurations quantiques de pointe modernes, incluant notamment les réseaux d'atomes froids, et peut servir de logiciel pour de futures applications en science des matériaux.

L'étude pourrait ouvrir la voie à l'étude des propriétés de systèmes fortement corrélés, y compris le modèle Fermi-Hubbard convoité, qui peut potentiellement offrir l'explication de la supraconductivité à haute température.

La recherche est publiée dans la nouvelle revue Nature Informations quantiques npj .

Dr Kyriienko, Une partie du département de physique de l'Université d'Exeter et auteur principal a déclaré :« Jusqu'à présent, j'ai vu que la capacité d'exécuter la dynamique quantique peut être utilisée pour trouver les propriétés de l'état fondamental.

"La question, cependant, reste - peut-on l'utiliser pour étudier les états excités ? Pouvons-nous concevoir un autre algorithme puissant basé sur les principes ? L'expérience dit que c'est possible, et fera l'objet d'efforts futurs."

L'idée de la simulation quantique a été proposée par le prix Nobel Richard Feynman en 1982, où il a suggéré que les modèles quantiques peuvent être plus naturellement simulés si nous utilisons un système bien contrôlé et intrinsèquement quantique.

Développant sur cette idée, une branche distincte de la science de l'information quantique a émergé, basé sur la notion d'ordinateur quantique - un dispositif quantique universel où les séquences d'opérations numériques (portes quantiques) permettent de résoudre certains problèmes avec une mise à l'échelle supérieure de l'opération requise par rapport aux ordinateurs classiques conventionnels.

Cependant, l'intention originale de Feynman, qui a été nommé plus tard simulation quantique analogique, jusqu'à présent était principalement utilisé pour observer les propriétés dynamiques des systèmes quantiques, tout en empêchant de trouver l'état fondamental associé aux différentes tâches de calcul.

Dans la nouvelle étude, Oleksandr Kyriienko a montré qu'il est possible d'exploiter l'évolution séquentielle du système avec des mesures de chevauchement des fonctions d'onde, de telle sorte qu'une étude efficace des propriétés de l'état fondamental devient possible avec des simulateurs quantiques analogiques.

La principale technique qui permet d'atteindre l'état fondamental est la représentation efficace d'un opérateur non unitaire qui « distille » l'état fondamental en exécutant la somme des opérateurs d'évolution unitaires pour différents temps d'évolution.

Surtout, l'étude suggère que la dynamique du système quantique est une ressource précieuse pour le calcul, car la capacité à propager le système couplée à des mesures de chevauchement peut donner accès au spectre à basse température d'un système quantique qui définit son comportement.

Les résultats établissent le cadre d'une simulation quantique basée sur la dynamique à l'aide de simulateurs quantiques programmables, et servir de logiciel quantique à de nombreux systèmes de réseau quantique bien contrôlés où un grand nombre d'atomes (~ 100) exclut la simulation classique.

Cela peut à son tour révolutionner notre compréhension des systèmes complexes de matière condensée et de la chimie.