Les scientifiques du Naval Research Laboratory (NRL) des États-Unis ont publié l'algorithme CVQE (Cascaded Variational Quantum Eigensolver) dans un récent Physical Review Research. article. L'algorithme devrait devenir un outil puissant pour étudier les propriétés physiques des systèmes électroniques.

L'algorithme CVQE est une variante de l'algorithme Variational Quantum Eigensolver (VQE) qui ne nécessite l'exécution d'un ensemble de circuits quantiques qu'une seule fois plutôt qu'à chaque itération pendant le processus d'optimisation des paramètres, augmentant ainsi le débit de calcul.

"Les deux algorithmes produisent un état quantique proche de l'état fondamental d'un système, qui est utilisé pour déterminer de nombreuses propriétés physiques du système", a déclaré John Stenger, Ph.D., physicien de recherche à la Section de chimie théorique. "Des calculs qui prenaient auparavant des mois peuvent désormais être effectués en quelques heures."

L'algorithme CVQE utilise un ordinateur quantique pour sonder les fonctions de masse de probabilité nécessaires et un ordinateur classique pour effectuer les calculs restants, y compris la minimisation de l'énergie.

"Trouver l'énergie minimale est difficile en termes de calcul, car la taille de l'espace d'état augmente de façon exponentielle avec la taille du système", a déclaré Steve Hellberg, Ph.D., physicien de recherche à la section Théorie des matériaux fonctionnels avancés. "À l'exception des très petits systèmes, même les supercalculateurs les plus puissants du monde sont incapables de trouver l'état fondamental exact."

Pour relever ce défi, les scientifiques utilisent un ordinateur quantique doté d’un registre de qubits, dont l’espace d’état augmente également de façon exponentielle, dans ce cas avec les qubits. En représentant les états d'un système physique sur l'espace d'état du registre, un ordinateur quantique peut être utilisé pour simuler les états dans l'espace de représentation exponentiellement grand du système.

Les données peuvent ensuite être extraites par des mesures quantiques. Comme les mesures quantiques ne sont pas déterministes, les exécutions du circuit quantique doivent être répétées plusieurs fois pour estimer les distributions de probabilité décrivant les états, un processus appelé échantillonnage. Les algorithmes quantiques variationnels, y compris l'algorithme CVQE, identifient les états d'essai par un ensemble de paramètres optimisés pour minimiser l'énergie.

"La principale différence entre la méthode VQE originale et la nouvelle méthode CVQE est que les processus d'échantillonnage et d'optimisation ont été découplés dans cette dernière, de sorte que l'échantillonnage peut être effectué exclusivement sur l'ordinateur quantique et les paramètres traités exclusivement sur un ordinateur classique." a déclaré Dan Gunlycke, D.Phil., chef de la section de chimie théorique, qui dirige également l'effort d'informatique quantique du LNR.

"La nouvelle approche présente également d'autres avantages. La forme de l'espace des solutions n'a pas besoin d'être conforme aux exigences de symétrie du registre des qubits et, par conséquent, il est beaucoup plus facile de façonner l'espace des solutions et de mettre en œuvre les symétries du système et d'autres éléments physiques. des contraintes motivées, qui conduiront à terme à des prédictions plus précises des propriétés des systèmes électroniques", a poursuivi Gunlycke.

L'informatique quantique est une composante de la science quantique, qui a été désignée comme domaine technologique critique dans le cadre de la vision technologique de l'USD(R&E) pour une ère de concurrence par la sous-secrétaire à la Défense pour la recherche et l'ingénierie, Heidi Shyu.

"Comprendre les propriétés des systèmes de mécanique quantique est essentiel au développement de nouveaux matériaux et produits chimiques pour la Marine et le Corps des Marines", a déclaré Gunlycke. « La corrosion, par exemple, est un défi omniprésent qui coûte des milliards au ministère de la Défense chaque année. L'algorithme CVQE peut être utilisé pour étudier les réactions chimiques provoquant la corrosion et fournir des informations cruciales à nos équipes anticorrosion existantes dans leur quête pour développer de meilleurs revêtements et additifs. ."

Depuis des décennies, le LNR mène des recherches fondamentales en science quantique, qui ont le potentiel de produire des technologies de défense révolutionnaires en matière de précision, de navigation et de timing; détection quantique ; l'informatique quantique; et les réseaux quantiques.

Plus d'informations : Daniel Gunlycke et al, Algorithme de résolution propre quantique variationnel en cascade, Physical Review Research (2024). DOI :10.1103/PhysRevResearch.6.013238

Informations sur le journal : Recherche sur l'examen physique

Fourni par le Laboratoire de recherche navale