Des physiciens quantiques de l'Université Trinity, travaillant en collaboration avec IBM Dublin, ont réussi à simuler la superdiffusion dans un système de particules quantiques en interaction sur un ordinateur quantique. Il s’agit de la première étape vers la réalisation de calculs de transport quantique difficiles sur du matériel quantique. À mesure que le matériel continue de s’améliorer, ces travaux devraient apporter de nouvelles révélations à la physique de la matière condensée et à la science des matériaux.
Ce travail est l'un des premiers résultats du programme de bourses prédoctorales TCD-IBM, un programme récemment créé dans lequel IBM supervise conjointement des doctorants à Trinity tout en employant également des doctorants comme personnel. L'article a été récemment publié dans le célèbre magazine Nature NPJ Quantum Information.
IBM est un leader mondial dans le domaine passionnant de l'informatique quantique. Le premier ordinateur quantique utilisé dans cette étude était composé de 27 qubits supraconducteurs (les qubits sont les éléments constitutifs de la logique quantique) et était physiquement situé dans le laboratoire d'IBM à Yorktown Heights, New York, et programmé à distance à Dublin.
L’informatique quantique est l’une des technologies les plus passionnantes du marché et devrait se rapprocher des applications commerciales au cours de la prochaine décennie. Au-delà des applications commerciales, les ordinateurs quantiques peuvent aider à résoudre des problèmes fondamentaux fascinants. Une équipe de la Trinity University de Dublin et d'IBM a résolu un tel problème lié à la simulation quantique.
Le professeur John Goold, directeur de la nouvelle Trinity Quantum Alliance et responsable de cette recherche, a déclaré en expliquant l'importance de ce travail et l'idée générale des simulations quantiques
"En général, simuler la dynamique de systèmes quantiques complexes constitués de nombreux composants en interaction est un défi difficile pour les ordinateurs classiques. Considérons les 27 qubits de cet appareil particulier. En mécanique quantique, l'état d'un tel système est déterminé par une fonction appelée fonction d'onde. Un objet est décrit mathématiquement. Pour décrire cet objet à l'aide d'un ordinateur standard, il faut stocker un grand nombre de coefficients en mémoire, et la nécessité de ces coefficients augmente de façon exponentielle avec le nombre de qubits ; dans ce cas de simulation, environ 134 millions de coefficients sont nécessaires.
« Lorsque les systèmes atteignent 300 bits, les coefficients requis pour décrire un tel système dépassent le nombre d'atomes dans l'univers observable, et aucun ordinateur classique ne peut capturer avec précision l'état du système. fait que les ordinateurs quantiques sont décrits par des fonctions d'onde, contournant ainsi les ressources classiques exponentielles requises pour stocker les états.
Alors, qu’est-ce que l’équipe de recherche a simulé exactement ? Le professeur Goold poursuit :
"Certains des systèmes quantiques non tridimensionnels les plus simples sont des chaînes de spin. Ces systèmes sont reliés par de petits aimants appelés spins, imitant des matériaux plus complexes, et sont utilisés pour comprendre le magnétisme. Nous nous intéressons à un modèle appelé chaîne de Heisenberg, et sommes particulièrement intéressés par le comportement à long terme de la façon dont les excitations de spin sont transportées dans tout le système. Dans ce confinement de longue durée, les systèmes quantiques à N corps entrent dans un régime hydrodynamique, avec un transport décrit par des équations qui décrivent les fluides classiques. "
"Nous nous intéressons à un mécanisme spécial dans lequel un phénomène appelé superdiffusion se produit parce que la physique sous-jacente est régie par l'équation de Kardar-Parisi-Zhange. Cette équation décrit généralement la croissance aléatoire d'une surface ou d'une interface, comme la façon dont la hauteur de la neige augmente dans une tempête de neige, comment une tache sur une tasse de café se développe avec le temps ou comment un feu de peluches se développe. Cette propagation est appelée transport superdiffusif. Étonnamment, les équations qui régissent ces phénomènes apparaissent également dans le domaine quantique. dynamique, qui est la principale réalisation de ce travail.
Nathan Keenan, chercheur prédoctoral IBM-Trinity, est programmeur sur le projet. Il nous a parlé de certains des défis auxquels est confrontée la programmation informatique quantique.
Il a déclaré : « Le plus gros problème dans la programmation des ordinateurs quantiques est d'effectuer des calculs utiles en présence de bruit. Les opérations effectuées au niveau de la puce ne sont pas parfaites et les ordinateurs sont très sensibles aux interférences de l'environnement du laboratoire.
Juan Bernabé-Moreno, directeur d'IBM Research UK et Irlande, a déclaré :
« IBM a une longue histoire de progrès dans la technologie de l'informatique quantique, apportant non seulement des décennies de recherche, mais également les programmes et l'écosystème quantiques commerciaux les plus vastes et les plus vastes. Notre collaboration avec le Trinity College de Dublin à travers les programmes de maîtrise et de doctorat en sciences et technologies quantiques en est un exemple, et je suis ravi que cette collaboration donne déjà des résultats prometteurs.
Alors que le monde entre dans une nouvelle ère de simulations quantiques, il est rassurant de savoir que les physiciens quantiques du Trinity College de Dublin sont à l'avant-garde : ils programment les appareils du futur. La simulation quantique est un pilier de recherche essentiel de la nouvelle Trinity Quantum Alliance, fondée et dirigée par le professeur John Goold, qui compte cinq partenaires industriels fondateurs, dont IBM, Microsoft, Algorithmiq, Horizon et Moodys Analytics.