Des qubits de spin prometteurs pour les technologies quantiques, tels que des défauts dans le carbure de silicium, sont simulés sur un ordinateur quantique, révélant et atténuant l'effet du bruit matériel. Crédit :Benchen Huang, Université de Chicago.
Les ordinateurs quantiques promettent de révolutionner la science en permettant des calculs autrefois considérés comme impossibles. Mais pour que les ordinateurs quantiques deviennent une réalité quotidienne, il reste un long chemin à parcourir avec de nombreux tests difficiles à réussir.
L'un des tests consiste à utiliser des ordinateurs quantiques pour simuler les propriétés des matériaux pour les technologies quantiques de nouvelle génération.
Dans une nouvelle étude du Laboratoire national Argonne du Département américain de l'énergie (DOE) et de l'Université de Chicago, les chercheurs ont effectué des simulations quantiques des défauts de spin, qui sont des impuretés spécifiques dans les matériaux qui pourraient offrir une base prometteuse pour les nouvelles technologies quantiques. L'étude a amélioré la précision des calculs sur les ordinateurs quantiques en corrigeant le bruit introduit par le matériel quantique.
La recherche a été menée dans le cadre du Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), un programme de science des matériaux computationnels du DOE dont le siège est à Argonne, ainsi que Q-NEXT, un centre national de recherche en sciences de l'information quantique du DOE.
"Les raisons pour lesquelles nous effectuons ce type de simulations sont d'acquérir une compréhension fondamentale des propriétés des matériaux et aussi de dire aux expérimentateurs comment éventuellement mieux concevoir des matériaux pour les nouvelles technologies", a déclaré Giulia Galli, professeur à la Pritzker School of Molecular Engineering et au Département. de chimie à l'Université de Chicago, chercheur principal au Laboratoire national d'Argonne, collaborateur Q-NEXT et directeur du MICCoM. "Les résultats expérimentaux obtenus pour les systèmes quantiques sont souvent assez complexes et peuvent être difficiles à interpréter. Avoir une simulation est important pour aider à interpréter les résultats expérimentaux et ensuite proposer de nouvelles prédictions."
Alors que les simulations quantiques ont longtemps été effectuées sur des ordinateurs traditionnels, les ordinateurs quantiques pourraient être capables de résoudre des problèmes que même les ordinateurs traditionnels les plus puissants ne peuvent résoudre aujourd'hui. Atteindre cet objectif reste à voir, alors que les chercheurs autour du travail poursuivent leurs efforts pour construire et utiliser des ordinateurs quantiques
"Nous voulons apprendre à utiliser les nouvelles technologies informatiques qui sont en plein essor", a déclaré Galli, auteur principal de l'article. "Développer des stratégies robustes dans les premiers jours de l'informatique quantique est une première étape importante pour pouvoir comprendre comment utiliser ces machines efficacement à l'avenir."
L'examen des défauts de spin offre un système du monde réel pour valider les capacités des ordinateurs quantiques.
"La grande majorité des calculs avec des ordinateurs quantiques de nos jours sont sur des systèmes modèles", a déclaré Galli. "Ces modèles sont intéressants en théorie, mais simuler un matériau réel d'intérêt expérimental est plus précieux pour l'ensemble de la communauté scientifique."
Effectuer des calculs des propriétés des matériaux et des molécules sur les ordinateurs quantiques se heurte à un problème que l'on ne rencontre pas avec un ordinateur classique, un phénomène connu sous le nom de bruit matériel. Les calculs bruyants renvoient des réponses légèrement différentes à chaque fois qu'un calcul est effectué; une opération d'addition bruyante peut renvoyer des valeurs légèrement différentes de 4 à chaque fois pour la question "Qu'est-ce que 2 plus 2 ?"
"L'incertitude de la mesure dépend du matériel quantique", a déclaré le scientifique d'Argonne Marco Govoni, co-auteur principal de l'étude. "L'un des accomplissements de notre travail est que nous avons pu corriger nos simulations pour compenser le bruit que nous rencontrions sur le matériel."
Comprendre comment gérer le bruit dans les ordinateurs quantiques pour des simulations réalistes est un résultat important, a déclaré Benchen Huang, étudiant diplômé de l'Université de Chicago et premier auteur de l'étude.
"Nous pouvons anticiper qu'à l'avenir, nous pourrions avoir une informatique quantique silencieuse. Apprendre à éliminer ou à annuler le bruit dans notre simulation nous apprendra également si l'avantage quantique peut devenir une réalité et pour quels problèmes en science des matériaux."
En fin de compte, selon Galli, le potentiel révolutionnaire des ordinateurs quantiques motivera davantage de travaux dans ce sens.
"Nous venons juste de commencer", a-t-elle déclaré. "La route qui nous attend s'annonce pleine de défis passionnants."
Un article basé sur l'étude a été publié en ligne dans Physical Review X Quantum le 10 mars. + Explorer plus loin
