De nombreux dispositifs quantiques actuels reposent sur des collections de qubits, également appelés spins. Ces bits quantiques n'ont que deux niveaux d'énergie, le « 0 » et le « 1 ». Cependant, les spins des appareils réels interagissent également avec la lumière et les vibrations appelées bosons, ce qui complique grandement les calculs.
Dans une nouvelle publication dans Physical Review Letters , des chercheurs d'Amsterdam démontrent une manière de décrire les systèmes de bosons de spin et de l'utiliser pour configurer efficacement des dispositifs quantiques dans un état souhaité.
Les appareils quantiques utilisent le comportement original des particules quantiques pour effectuer des tâches qui vont au-delà de ce que les machines « classiques » peuvent faire, notamment l'informatique quantique, la simulation, la détection, la communication et la métrologie. Ces dispositifs peuvent prendre de nombreuses formes, comme un ensemble de circuits supraconducteurs ou un réseau d'atomes ou d'ions maintenus en place par des lasers ou des champs électriques.
Quelle que soit leur réalisation physique, les dispositifs quantiques sont généralement décrits en termes simplifiés comme un ensemble de bits ou spins quantiques à deux niveaux en interaction. Cependant, ces spins interagissent également avec d’autres éléments de leur environnement, comme la lumière dans les circuits supraconducteurs ou les oscillations du réseau d’atomes ou d’ions. Les particules de lumière (photons) et les modes vibrationnels d'un réseau (phonons) sont des exemples de bosons.
Contrairement aux spins, qui n'ont que deux niveaux d'énergie possibles (« 0 » ou « 1 »), le nombre de niveaux pour chaque boson est infini. Par conséquent, il existe très peu d’outils informatiques permettant de décrire les spins couplés aux bosons.
Dans leurs nouveaux travaux, les physiciens Liam Bond, Arghavan Safavi-Naini et Jiří Minář de l'Université d'Amsterdam, QuSoft et Centrum Wiskunde &Informatica contournent cette limitation en décrivant des systèmes composés de spins et de bosons utilisant des états dits non gaussiens. Chaque état non gaussien est une combinaison (une superposition) d'états gaussiens beaucoup plus simples.
Chaque motif bleu-rouge dans l’image ci-dessus représente un état quantique possible du système boson de spin. "Un état gaussien ressemblerait à un simple cercle rouge, sans aucun motif bleu-rouge intéressant", explique le docteur. candidat Liam Bond. Un exemple d'état gaussien est la lumière laser, dans laquelle toutes les ondes lumineuses sont parfaitement synchronisées.
"Si nous prenons plusieurs de ces états gaussiens et commençons à les chevaucher (de sorte qu'ils forment une superposition), ces modèles magnifiquement complexes émergent. Nous étions particulièrement enthousiasmés parce que ces états non gaussiens nous permettent de conserver une grande partie des puissants mathématiques mathématiques. machinerie qui existe pour les états gaussiens, tout en nous permettant de décrire un ensemble beaucoup plus diversifié d'états quantiques", explique Bond.
"Il existe tellement de modèles possibles que les ordinateurs classiques ont souvent du mal à les calculer et à les traiter. Au lieu de cela, dans cette publication, nous utilisons une méthode qui identifie le plus important de ces modèles et ignore les autres. Cela nous permet d'étudier ces systèmes quantiques et de concevoir de nouvelles façons de préparer des états quantiques intéressants."
La nouvelle approche peut être exploitée pour préparer efficacement les états quantiques d’une manière qui surpasse les autres protocoles traditionnellement utilisés. "Une préparation rapide d'états quantiques pourrait être utile pour un large éventail d'applications, telles que la simulation quantique ou même la correction d'erreurs quantiques", note Bond.
Les chercheurs démontrent également qu'ils peuvent utiliser des états non gaussiens pour préparer des états quantiques « critiques » qui correspondent à un système en transition de phase. En plus de leur intérêt fondamental, de tels états peuvent grandement améliorer la sensibilité des capteurs quantiques.
Bien que ces résultats soient très encourageants, ils ne constituent qu’un premier pas vers des objectifs plus ambitieux. Jusqu’à présent, la méthode a été démontrée pour un seul tour. Une extension naturelle, mais difficile, consiste à inclure plusieurs tours et plusieurs modes bosoniques en même temps. Une direction parallèle consiste à prendre en compte les effets de l’environnement perturbant les systèmes spin-boson. Ces deux approches sont en cours de développement actif.
