Simuler une infinité de particules chaotiques à l'aide d'un ordinateur quantique

Ordinateur quantique utilisé dans ce travail. a, Coupe du piège de surface à électrodes segmentées Quantinuum H1-1, montrant cinq zones de grille en violet (les étendues de cristal ionique de 750 μm de large et les tailles de faisceau laser ne sont pas dessinées à l'échelle). L'ordinateur fonctionne de la même manière que celui décrit ailleurs (sauf avec le fonctionnement à grille parallèle sur les trois zones de grille centrale (G2-G4)), avec des ions qubit 171Yb+ (vert) et des ions de liquide de refroidissement 138Ba+ (blanc) stockés dans l'un ou l'autre des deux ions ou des cristaux à quatre ions. L'appariement arbitraire des qubits est obtenu en transportant des ions le long du zéro radiofréquence linéaire (ligne pointillée) à 70 μm au-dessus de la surface. b, Le refroidissement sympathique de l'état fondamental suivi de notre porte Mølmer – Sørenson à deux qubits et insensible à la phase est mis en œuvre en parallèle sur G2 – G4 sur des configurations cristallines Yb – Ba – Ba – Yb. Chaque cristal a une étendue d'environ 8 μm, et les lasers de refroidissement et de grille (longueurs d'onde, 493 et 368 nm, respectivement) ont des tailles de faisceau nominales de 17,5 μm. c, fidélités moyennes typiques (c'est-à-dire représentatives sur la durée de la prise de données) des portes à un seul qubit (SQ), des portes à deux qubits (TQ) et de la préparation et de la mesure de l'état combiné (SPAM) effectuées via une analyse comparative aléatoire. Crédit :Physique de la nature (2022). DOI :10.1038/s41567-022-01689-7

Une équipe de chercheurs de Quantinuum, en collaboration avec un collègue de l'Université du Texas à Austin, a développé un moyen de simuler une infinité de particules chaotiques à l'aide d'un ordinateur quantique fonctionnant avec un nombre limité de qubits. Dans leur article publié dans la revue Nature Physics , le groupe décrit sa technique.

Pour en savoir plus sur le comportement des molécules dans les matériaux, les chercheurs ont mis au point des stratégies pour simuler leur comportement sur ordinateur. De telles tentatives ont bien fonctionné avec des opérations simples mais ont rencontré des problèmes lors de la simulation de la complexité, comme une ligne infiniment longue de particules en interaction sur une période de temps donnée. Les tentatives sur les superordinateurs traditionnels se sont enlisées et les chercheurs ont émis l'hypothèse qu'un ordinateur quantique pourrait très bien faire le travail. Dans ce nouvel effort, les chercheurs ont découvert que c'était effectivement le cas.

Les chercheurs affirment que la clé pour exécuter un algorithme capable de résoudre un tel problème se résumait à une conception qui non seulement effectuait les opérations nécessaires pour exécuter la simulation, mais aussi pour ajouter du code qui permettrait à une telle simulation de fonctionner avec très peu de qubits. Une fois qu'ils ont eu un algorithme qui, selon eux, fonctionnerait, l'équipe s'est tournée vers le matériel. Ils ont choisi une machine utilisant des qubits représentés par des atomes d'ytterbium et ils ont modifié le nombre de qubits exécutés de trois à 11.

Les chercheurs ont découvert qu'ils étaient capables d'exécuter leur algorithme avec un si petit nombre de qubits parce qu'ils avaient intégré un système qui recyclait les qubits - comme un qubit était utilisé, ceux qui avaient déjà été utilisés étaient réinitialisés à leur état d'origine, puis utilisé à nouveau - une technique appelée dynamique holographique. Ce processus a été répété au cours de la simulation. Pour tester le système, les chercheurs ont exécuté une simulation d'un processus qui avait déjà été vérifié à l'aide d'autres techniques. L'équipe prévoit de tester le système avec une simulation qui ne peut pas être démontrée à l'aide d'un supercalculateur conventionnel. + Explorer plus loin