Des chercheurs de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University au Japon ont récemment étudié des situations dans lesquelles deux hamiltoniens distincts pourraient être utilisés pour simuler les mêmes phénomènes physiques. Un hamiltonien est une fonction ou un modèle utilisé pour décrire un système dynamique, comme le mouvement des particules.

Dans un article publié en Lettres d'examen physique , les chercheurs ont introduit un cadre qui pourrait s'avérer utile pour simuler la même physique avec deux hamiltoniens distincts. En outre, ils fournissent un exemple de simulation analogique et montrent comment construire une version alternative d'un simulateur quantique numérique.

"L'idée est venue quand je regardais la génération dynamique d'enchevêtrement dans les chaînes de spin, " Karol Gietka, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "J'ai remarqué que le comportement de l'enchevêtrement en fonction du temps dans un certain modèle ressemble beaucoup au comportement de l'enchevêtrement dans le modèle paradigmatique de torsion à un axe. Initialement, Je pensais qu'on pouvait mapper un système sur un autre, mais ce n'était pas possible car les hamiltoniens des deux systèmes étaient très différents, ce qui m'a vraiment déconcerté."

Gietka a entrepris de repenser les principes des simulateurs quantiques et s'est alors rendu compte qu'en plus de l'hamiltonien, l'état initial doit également être pris en compte comme ingrédient des simulateurs quantiques. Gietka et ses collègues ont défini un opérateur « connecteur » et ont constaté que la même dynamique est observée à partir de deux hamiltoniens différents si l'état initial est un état propre du connecteur.

Ce résultat indique que l'utilisation du même hamiltonien n'est pas toujours une condition nécessaire. Par exemple, ils ont montré que la physique de la torsion à un axe peut être simulée par une chaîne de spin avec un champ externe, même si le modèle de torsion à un axe a des interactions à portée infinie et que ce modèle de chaîne de spin n'a que des interactions plus proches. Les hamiltoniens de ces deux modèles sont physiquement différents, c'est-à-dire ayant des spectres d'énergie différents, mais encore on peut simuler l'un avec l'autre si la dynamique commence par des états spéciaux.

"L'avantage d'une telle approche est qu'elle assouplit les conditions imposées au simulateur quantique universel - une machine quantique capable de simuler un système physique arbitraire, " dit Gietka. " L'une de ses applications, que nous présentons dans notre article, est la création d'états intriqués au maximum de systèmes à plusieurs corps exploitant uniquement les interactions entre les éléments les plus proches du système. Une autre application est une version alternative du simulateur quantique numérique qui pourrait s'avérer moins complexe dans certains cas que le simulateur numérique d'origine."

Remarquablement, le fait qu'un hamiltonien de simulateur quantique puisse être très différent de l'hamiltonien que l'on veut simuler pourrait étendre la portée de la simulation quantique, car cela signifie que l'on pourrait créer un simulateur dont l'hamiltonien ne concorde avec celui d'aucun système existant dans le monde. Les travaux de ces chercheurs pourraient ainsi permettre la conception et la réalisation de différents types de dispositifs quantiques.

"J'étudie maintenant comment l'idée de simuler la même physique avec deux hamiltoniens distincts peut être exploitée pour simuler la physique de systèmes quantiques exotiques qui ne devraient apparemment pas exister, " a déclaré Gietka. " J'essaie également de comprendre comment on peut utiliser cette idée en métrologie quantique pour collecter des mesures précises de paramètres physiques inconnus. "

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