Un nouvel article cherchant à remédier à une restriction de temps dans les ordinateurs à recuit quantique a plutôt ouvert une classe de nouveaux problèmes de physique qui peuvent désormais être étudiés avec des recuits quantiques sans exiger qu'ils soient trop lents. Crédit :Laboratoire national de Los Alamos
Une équipe de théoriciens quantiques cherchant à résoudre un problème de base avec les ordinateurs à recuit quantique - ils doivent fonctionner à un rythme relativement lent pour fonctionner correctement - a trouvé quelque chose d'intrigant à la place. Tout en sondant les performances des recuiteurs quantiques lorsqu'ils fonctionnent plus rapidement que souhaité, l'équipe a découvert de manière inattendue un nouvel effet qui peut expliquer la répartition déséquilibrée de la matière et de l'antimatière dans l'univers et une nouvelle approche pour séparer les isotopes.
"Bien que notre découverte n'ait pas permis de remédier à la restriction du temps de recuit, il a apporté une classe de nouveaux problèmes de physique qui peuvent maintenant être étudiés avec des recuits quantiques sans exiger qu'ils soient trop lents, " dit Nikolaï Sinitsyne, un physicien théoricien au Laboratoire national de Los Alamos. Sinitsyn est l'auteur de l'article publié le 19 février dans Lettres d'examen physique , avec les coauteurs Bin Yan et Wojciech Zurek, tous deux aussi de Los Alamos, et Vladimir Chernyak de la Wayne State University.
Significativement, cette découverte indique comment au moins deux problèmes scientifiques célèbres pourraient être résolus à l'avenir. Le premier est l'apparente asymétrie entre la matière et l'antimatière dans l'univers.
« Nous pensons que de petites modifications apportées aux expériences récentes de recuit quantique de qubits en interaction constitués d'atomes ultrafroids à travers les transitions de phase seront suffisantes pour démontrer notre effet, " a déclaré Sinitsyne.
Expliquer le décalage matière/antimatière
La matière et l'antimatière résultaient des excitations énergétiques produites à la naissance de l'univers. La symétrie entre la façon dont la matière et l'antimatière interagissent était brisée mais très faiblement. Il n'est pas encore tout à fait clair comment cette différence subtile pourrait conduire à la large domination observée de la matière par rapport à l'antimatière à l'échelle cosmologique.
L'effet nouvellement découvert démontre qu'une telle asymétrie est physiquement possible. Cela se produit lorsqu'un grand système quantique passe par une transition de phase, C'est, un réarrangement très net de l'état quantique. Dans de telles circonstances, les interactions fortes mais symétriques se compensent grosso modo. Puis subtil, les différences persistantes peuvent jouer un rôle décisif.
Rendre les recuits quantiques assez lents
Les ordinateurs à recuit quantique sont conçus pour résoudre des problèmes d'optimisation complexes en associant des variables à des états quantiques ou à des qubits. Contrairement aux bits binaires d'un ordinateur classique, qui ne peut être qu'en état, ou valeur, de 0 ou 1, les qubits peuvent être dans une superposition quantique de valeurs intermédiaires. C'est de là que tous les ordinateurs quantiques tirent leur formidable, si encore largement inexploité, pouvoirs.
Dans un ordinateur à recuit quantique, les qubits sont initialement préparés dans un état simple d'énergie la plus basse en appliquant un fort champ magnétique externe. Ce champ est ensuite éteint lentement, tandis que les interactions entre les qubits sont lentement activées.
"Idéalement, un recuit fonctionne assez lentement pour fonctionner avec un minimum d'erreurs, mais à cause de la décohérence, il faut faire tourner le recuit plus vite, " expliqua Yan. L'équipe a étudié l'effet émergent lorsque les recuits fonctionnent à une vitesse plus rapide, ce qui les limite à un temps de fonctionnement fini.
« D'après le théorème adiabatique de la mécanique quantique, si tous les changements sont très lents, soi-disant adiabatiquement lent, alors les qubits doivent toujours rester dans leur état d'énergie le plus bas, " dit Sinitsyn. " Par conséquent, quand nous les mesurons enfin, on trouve la configuration souhaitée des 0 et des 1 qui minimise la fonction d'intérêt, ce qui serait impossible à obtenir avec un ordinateur classique moderne."
Entravé par la décohérence
Cependant, recuits quantiques actuellement disponibles, comme tous les ordinateurs quantiques jusqu'à présent, sont entravés par les interactions de leurs qubits avec le milieu environnant, ce qui provoque la décohérence. Ces interactions restreignent le comportement purement quantique des qubits à environ un millionième de seconde. Dans ce délai, les calculs doivent être rapides - non adiabatiques - et les excitations énergétiques indésirables modifient l'état quantique, introduisant des erreurs de calcul inévitables.
La théorie Kibble-Zurek, co-développé par Wojciech Zurek, prédit que le plus d'erreurs se produisent lorsque les qubits rencontrent une transition de phase, C'est, un réarrangement très net de leur état quantique collectif.
Pour ce papier, l'équipe a étudié un modèle soluble connu dans lequel des qubits identiques n'interagissent qu'avec leurs voisins le long d'une chaîne ; le modèle vérifie analytiquement la théorie de Kibble-Zurek. Dans la quête des théoriciens pour remédier au temps de fonctionnement limité des ordinateurs à recuit quantique, ils ont augmenté la complexité de ce modèle en supposant que les qubits pouvaient être divisés en deux groupes avec des interactions identiques au sein de chaque groupe mais des interactions légèrement différentes pour les qubits des différents groupes.
Dans un tel mélange, ils ont découvert un effet inhabituel :un groupe produisait encore une grande quantité d'excitations énergétiques lors du passage par une transition de phase, mais l'autre groupe est resté dans le minimum d'énergie comme si le système n'avait pas du tout connu de transition de phase.
"Le modèle que nous avons utilisé est hautement symétrique afin d'être résoluble, et nous avons trouvé un moyen d'étendre le modèle, briser cette symétrie et toujours la résoudre, " expliqua Sinitsyn. " Ensuite, nous avons découvert que la théorie de Kibble-Zurek avait survécu mais avec une torsion :la moitié des qubits ne dissipait pas d'énergie et se comportait " bien ". En d'autres termes, ils ont maintenu leurs états fondamentaux."
Malheureusement, l'autre moitié des qubits a produit de nombreuses erreurs de calcul - ainsi, pas de remède à ce jour pour un passage par une transition de phase dans les ordinateurs à recuit quantique.
Une nouvelle façon de séparer les isotopes
Un autre problème de longue date qui peut bénéficier de cet effet est la séparation isotopique. Par exemple, l'uranium naturel doit souvent être séparé en isotopes enrichis et appauvris, ainsi, l'uranium enrichi peut être utilisé à des fins d'énergie nucléaire ou de sécurité nationale. Le procédé de séparation actuel est coûteux et énergivore. L'effet découvert signifie qu'en faisant passer dynamiquement un mélange d'atomes ultra-froids en interaction à travers une transition de phase quantique, différents isotopes peuvent être excités sélectivement ou non, puis séparés en utilisant la technique de déviation magnétique disponible.
