Une étude menée par des chercheurs de la North Carolina State University a développé une nouvelle méthode qui permet aux ordinateurs quantiques de mesurer les propriétés thermodynamiques des systèmes en calculant les zéros de la fonction de partition.

"Nous avons illustré une nouvelle façon d'obtenir les propriétés thermodynamiques d'un système, comme l'énergie gratuite, entropie, et d'autres propriétés trop complexes pour être mesurées actuellement via l'informatique traditionnelle ou quantique, " dit Lex Kemper, professeur agrégé de physique à NC State et auteur correspondant d'un article décrivant le travail. "En calculant les zéros des fonctions de partition, nous sommes sur le point de résoudre le problème de la mise à l'échelle d'un plus grand nombre de qubits lorsque nous essayons de calculer les énergies libres et les entropies dans un système donné."

Les ordinateurs quantiques sont souvent utilisés pour étudier des systèmes complexes en raison de leur capacité à gérer des calculs volumineux au-delà de la portée des ordinateurs conventionnels. Cependant, quelques problèmes, comme la mesure de la thermodynamique ou de l'énergie libre dans un système (ce qui implique le calcul de son entropie), sont encore trop gros pour que même ces ordinateurs puissent les gérer efficacement.

Une fonction de partition décrit les propriétés statistiques d'un système en équilibre thermodynamique. L'énergie totale, énergie gratuite, entropie, ou la pression d'un système peut être exprimée mathématiquement en fonction de la fonction de partition ou de ses dérivées.

Kemper et ses collègues ont utilisé un ordinateur quantique pour mesurer les zéros de la fonction de partition, plutôt que l'entropie, d'un modèle de spin tel qu'il est accordé à travers une transition de phase.

"Notre méthode saute la partie où nous calculons l'entropie en faveur de la fonction de partition, " dit Kemper. " C'est parce que la fonction de partition est une fonction génératrice - une fonction sur laquelle vous pouvez effectuer des opérations pour obtenir d'autres informations thermodynamiques telles que l'énergie interne et l'entropie.

"Nous mesurons la fonction de partition en déterminant où elle est nulle. Une fois que vous connaissez tous les zéros d'une fonction, vous connaissez toute la fonction. Puisque les zéros se trouvent dans le plan complexe, nous avons utilisé une cartographie entre le fait d'avoir un champ magnétique complexe et l'évolution temporelle pour les trouver."

Les chercheurs ont calculé la fonction de partition sur un ordinateur quantique standard et à ions piégés dans le laboratoire de Norbert Linke à l'Université du Maryland. Les résultats des deux se comparaient favorablement.

"C'est un moyen d'utiliser un ordinateur quantique pour obtenir toutes les propriétés thermodynamiques d'un système sans nécessiter un grand nombre de calculs quantiques, " dit Kemper.

La recherche apparaît dans Avancées scientifiques .