"Pensez à ce que nous pouvons faire si nous apprenons à un ordinateur quantique à faire de la mécanique statistique, " a posé Michael McGuigan, un informaticien de la Computational Science Initiative du Brookhaven National Laboratory du département de l'Énergie des États-Unis.

À l'époque, McGuigan réfléchissait à Ludwig Boltzmann et à la façon dont le célèbre physicien devait défendre vigoureusement ses théories de la mécanique statistique. Boltzmann, qui a présenté ses idées sur la façon dont les propriétés atomiques déterminent les propriétés physiques de la matière à la fin du XIXe siècle, avait un obstacle extraordinairement énorme :l'existence des atomes n'était même pas prouvée à l'époque. La fatigue et le découragement provenant de ses pairs n'acceptant pas ses vues sur les atomes et la physique ont hanté à jamais Boltzmann.

Aujourd'hui, facteur de Boltzmann, qui calcule la probabilité qu'un système de particules puisse être trouvé dans un état d'énergie spécifique par rapport à une énergie nulle, est largement utilisé en physique. Par exemple, Le facteur de Boltzmann est utilisé pour effectuer des calculs sur les plus grands supercalculateurs du monde pour étudier le comportement des atomes, molécules, et la "soupe" de quarks découverte à l'aide d'installations telles que le collisionneur d'ions lourds relativistes situé au laboratoire de Brookhaven et le grand collisionneur de hadrons au CERN.

Bien qu'il ait fallu un changement radical pour montrer que Boltzmann avait raison, les informaticiens sont désormais au bord d'une nouvelle vague informatique, faire le saut des supercalculateurs et des octets aux systèmes quantiques et aux bits quantiques (ou "qubits"). Ces ordinateurs quantiques ont le potentiel de débloquer certains des concepts les plus mystérieux de la physique. Et, bizarrement, ces soi-disant mystères peuvent sembler un peu familiers à beaucoup.

Temps et température qui vous sont proposés par…

Bien que la plupart des gens connaissent bien les notions de temps et de température et les vérifient plusieurs fois par jour, il s'avère que ces concepts de base restent énigmatiques en physique.

Le facteur de Boltzmann aide à modéliser les effets de la température qui peuvent être utilisés pour prédire et contrôler le comportement atomique et les propriétés physiques, et ils fonctionnent très bien sur les ordinateurs classiques. Cependant, sur un ordinateur quantique, les portes logiques quantiques utilisées dans le calcul (semblables aux portes logiques trouvées dans les circuits numériques) sont représentées par des nombres complexes, par opposition au facteur de Boltzmann, qui par définition, est vrai.

Ce numéro a offert à McGuigan et à son étudiant/coauteur Raffaele Miceli un problème intéressant à résoudre en utilisant un banc d'essai d'informatique quantique fourni par le biais de l'accord d'accès de Brookhaven Lab aux systèmes informatiques quantiques universels d'IBM, via l'IBM Q Hub du Oak Ridge National Laboratory. La collaboration permet à Brookhaven (entre autres en réseau) d'accéder aux systèmes quantiques commerciaux d'IBM, y compris des systèmes de 20 et 53 qubits pour les expériences.

"Sur un ordinateur quantique, il existe une autre façon de simuler une température finie appelée dynamique des champs thermiques, qui est capable de calculer des quantités qui dépendent à la fois du temps et de la température, " expliqua McGuigan. " Dans ce formalisme, vous construisez un double du système, appelé le thermo double, puis procédez au calcul sur un ordinateur quantique car le calcul peut être représenté en termes de portes logiques quantiques avec des nombres complexes.

"À la fin, vous pouvez additionner les états doubles et générer un facteur de Boltzmann effectif pour les calculs à température finie, " a-t-il poursuivi. " Il y a aussi certains avantages du formalisme. Par exemple, vous pouvez étudier les effets de la température finie et comment le système évolue en temps réel lorsque le temps et la température sont séparés à l'aide de cet algorithme quantique. Un inconvénient est qu'il nécessite deux fois plus de qubits qu'un calcul de température zéro pour gérer les états doubles."

Miceli et McGuigan ont démontré comment implémenter l'algorithme quantique pour la dynamique des champs thermiques pour une température finie sur un système simple impliquant quelques particules et ont trouvé un accord parfait avec le calcul classique.

Leur travail a utilisé des ressources de l'informatique classique et quantique. Selon McGuigan, ils ont utilisé le logiciel d'informatique quantique open source Qiskit qui leur a permis de créer leur algorithme dans le cloud. Qiskit a ensuite transpilé ce code en impulsions qui communiquent avec un ordinateur quantique en temps réel (dans ce cas, un périphérique IBM Q). Les optimiseurs qui exécutent des algorithmes classiques permettent en outre les allers-retours entre les systèmes traditionnels et quantiques.

"Notre expérience montre que les systèmes quantiques ont l'avantage de représenter exactement les calculs en temps réel plutôt que de passer du temps imaginaire au temps réel pour trouver un résultat, " a expliqué McGuigan. " Il offre une image plus fidèle de la façon dont un système évolue. Nous pouvons mapper le problème à une simulation quantique qui le laisse évoluer."

Dans le cosmos

La cosmologie quantique est un autre domaine où McGuigan prévoit que les nouvelles options d'informatique quantique auront un impact profond. Malgré la multitude d'avancées dans la compréhension de l'univers rendues possibles par les supercalculateurs modernes, certains systèmes physiques restent hors de leur portée. La complexité mathématique, qui inclut généralement la prise en compte de la théorie de la gravité quantique complète, est tout simplement trop grand pour obtenir des solutions exactes. Cependant, un véritable ordinateur quantique, complet avec la capacité d'exploiter l'enchevêtrement et la superposition, élargirait les options pour de nouveaux, algorithmes plus précis.

"Les systèmes quantiques peuvent réaliser des intégrales de chemin en temps réel, nous donnant accès à des simulations à grande échelle de l'univers, " a déclaré McGuigan. " Vous pouvez visualiser la fonction d'onde calculée de l'univers à mesure qu'il évolue vers l'avant sans avoir d'abord formulé une théorie complète de la gravité quantique. "

De nouveau, l'utilisation du package Qiskit et l'accès au matériel IBM Q, McGuigan et son collaborateur Charles Kocher, un étudiant à l'Université Brown, utilisé un mélange de méthodes de calcul classiques et VQE pour exécuter des expériences variées, dont un qui a examiné des systèmes avec gravité couplée à un champ de bosons appelé inflaton, une particule hypothétique qui joue un rôle important dans la cosmologie moderne. Leurs travaux ont montré que le VQE hybride a produit des fonctions d'onde cohérentes avec l'équation de Wheeler-Dewitt, qui combine mathématiquement la mécanique quantique avec la théorie de la relativité d'Albert Einstein.

Inspiration à grande échelle

Alors que les premières expériences quantiques mènent à différentes perspectives sur les bases de la physique, l'informatique quantique devrait contribuer à des avancées majeures dans la résolution de problèmes de longue date ayant un impact sur les missions du DOE. Parmi eux, il peut être un outil pour dévoiler de nouveaux matériaux, relever les défis énergétiques, ou en ajoutant des connaissances fondamentales (comme le temps et la température) en physique des hautes énergies et en cosmologie. À son tour, ces changements pourraient se répercuter dans des domaines plus facilement reconnaissables.

Par exemple, Les développeurs de médicaments ont besoin d'une mécanique quantique plus aboutie pour comprendre la structure des molécules. Les ordinateurs quantiques peuvent permettre des découvertes en offrant des simulations de la mécanique quantique complète qui fourniraient un point de vue vraiment pratique.

"Il semble y avoir toujours un intérêt pour les bases de la physique, " a déclaré McGuigan. "Cela intéresse le public depuis des millénaires. À l'heure actuelle, la combinaison de l'expertise théorique et de la technologie actuelle converge avec l'informatique quantique. Encore, c'est toujours une entreprise très humaine."

Pour l'instant, L'utilisation d'ordinateurs quantiques à court terme pour résoudre de petits problèmes de champ thermique ou pour jeter un nouveau regard sur un vieil univers inspire les chercheurs à étendre leurs algorithmes à mesure qu'ils font de plus grandes choses en science.

"Nous nous enhardissons à faire des choses différentes. Nous le faisons tous, " a déclaré McGuigan. " D'autres groupes à travers le monde, comme le Perimeter Institute au Canada et l'Universiteit van Amsterdam aux Pays-Bas, étendent déjà l'algorithme quantique double champ thermo à des systèmes encore plus grands. Avec l'émergence de grands ordinateurs quantiques à court terme de 50-100 qubits, l'objectif est d'exécuter des simulations de température finie sur des systèmes réalistes impliquant de nombreuses particules. C'est passionnant d'avoir un véritable ordinateur quantique pour tester ces idées et ces problèmes pour lesquels nous n'avions autrefois aucune solution. La mécanique quantique sans compromis, c'est l'essence même de la science."