Les techniques utilisées par l'équipe pourraient aider à développer des capacités de simulation quantique pour la prochaine génération d'ordinateurs quantiques.

L'étude a utilisé l'ordinateur H1-1 de Quantinuum pour modéliser une version quantique d'un modèle mathématique classique qui suit la propagation d'une maladie. Le temps passé sur l'ordinateur a été fourni par QCUP, qui fait partie de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility, qui accorde du temps sur des processeurs quantiques privés à travers le pays pour soutenir des projets de recherche.

Le modèle utilisait des bits quantiques, ou qubits, pour simuler la transition entre des états actifs, tels qu'une infection, et des états inactifs, tels que la mort ou la guérison.

"Le but de cette étude était de travailler à développer les capacités d'un ordinateur quantique pour résoudre ce problème et d'autres problèmes similaires qui sont difficiles à calculer sur des ordinateurs conventionnels", a déclaré Andrew Potter, co-auteur de l'étude et professeur adjoint de physique. à l'Université de la Colombie-Britannique à Vancouver.

"Cette expérience modélise la tentative d'orienter un système quantique vers un état particulier tout en rivalisant avec les fluctuations quantiques en dehors de cet état. Il existe un point de transition où ces effets concurrents s'équilibrent exactement. Ce point sépare une phase où la direction réussit et où elle échoue. "

Plus le système s’éloigne de l’équilibre, plus les versions classiques du modèle risquent de s’effondrer en raison de la taille et de la complexité des équations. L'équipe de recherche a cherché à utiliser l'informatique quantique pour modéliser ces dynamiques.

Les ordinateurs classiques stockent les informations sous forme de bits égaux à 0 ou 1. En d’autres termes, un bit classique, comme un interrupteur, existe dans l’un des deux états suivants :allumé ou éteint. Cette dynamique binaire ne correspond pas nécessairement à la modélisation d'états transitionnels tels que ceux étudiés dans le modèle de maladie.

L'informatique quantique utilise les lois de la mécanique quantique pour stocker des informations sous forme de qubits, l'équivalent quantique des bits. Les qubits peuvent exister dans plusieurs états simultanément via la superposition quantique, ce qui permet aux qubits de transporter plus d'informations que les bits classiques.

Dans la superposition quantique, un qubit peut exister dans deux états en même temps, à la manière d’une pièce de monnaie en rotation :ni pile ni pile pour la pièce, ni une fréquence ni l’autre pour le qubit. Mesurer la valeur du qubit détermine la probabilité de mesurer l’une ou l’autre des deux valeurs possibles, de la même manière que l’on arrête la pièce sur face ou sur face. Cette dynamique permet un plus large éventail de valeurs possibles qui pourraient être utilisées pour étudier des questions complexes telles que les états de transition.

Les chercheurs espèrent que ces possibilités entraîneront une révolution quantique qui verra les ordinateurs quantiques surpasser les machines classiques en termes de vitesse et de puissance. Cependant, les qubits utilisés par les machines quantiques actuelles ont tendance à se dégrader facilement. Cette dégradation entraîne des taux d'erreur élevés qui peuvent brouiller les résultats de tout modèle plus grand qu'un problème de test.

Potter et ses collègues ont obtenu l'heure via QCUP sur l'ordinateur Quantinuum, qui utilise les ions piégés comme qubits. Ils ont mesuré des circuits, ou portes quantiques, tout au long de l'analyse et ont utilisé une technique connue sous le nom de recyclage de qubits pour éliminer les qubits dégradés.

"Nous avons utilisé le processeur quantique pour simuler un système dans lequel les qubits actifs ont la capacité d'activer les qubits voisins ou de devenir inactifs", a expliqué Potter. "En surveillant le système en temps réel à chaque étape et en testant au fur et à mesure, nous pourrions détecter la probabilité que l'exécution d'une porte quantique sur un qubit puisse affecter l'état d'un qubit et, dans le cas contraire, le supprimer du calcul. De cette façon, nous évitons le risque d'erreurs."

L’équipe a déterminé qu’elle pouvait utiliser son approche sur 20 qubits pour limiter les erreurs et simuler un système quantique près de quatre fois plus grand. Ils ont estimé qu'à 70 qubits leur approche pourrait égaler ou dépasser les capacités d'un ordinateur classique.

"C'est la première fois que cette approche est utilisée pour un système de cette taille", a déclaré Potter.

Les prochaines étapes consistent à appliquer le recyclage des qubits à des problèmes quantiques, tels que la simulation des propriétés des matériaux et le calcul de leurs états énergétiques les plus bas ou de leurs états fondamentaux quantiques.

L'article est publié dans la revue Nature Physics .