Simulateur quantique record de 53 qubits dévoilé

• Des physiciens ont construit 53 aimants quantiques interactifs, rendant quadrillions de configurations magnétiques possibles.
• C'est un type restreint d'ordinateur quantique utilisant des qubits atomiques pour imiter la matière quantique complexe.
• Ils ont mesuré chaque qubit avec une efficacité d'environ 99 pour cent.

Des physiciens de l'université du Maryland et du National Institute of Standards and Technology ont utilisé 53 qubits atomiques interactifs pour imiter la matière quantique magnétique, établissant un nouveau record. C'est la plus grande simulation quantique jamais réalisée avec une mesure unique à haute efficacité des qubits individuels.

Ils ont utilisé jusqu'à 53 ions d'ytterbium, qui sont des atomes modifiés piégés par des électrodes plaquées or aux bords tranchants. Un système complémentaire développé par des scientifiques du MIT et de Harvard utilise 51 atomes de rubidium confinés par des faisceaux laser. Cette plateforme expérimentale pourrait être étendue pour résoudre des problèmes quantiques difficiles (comme l'échantillonnage d'Ising) qui sont bien au-delà des limites des superordinateurs modernes les plus rapides.

Des simulations avec un plus petit nombre de qubits d'ions piégés ont déjà été démontrées, et maintenant avec un niveau de contrôle plus élevé sur l'interaction entre les spins, ce système peut être mis à niveau vers un ordinateur quantique universel.

Tous les qubits ioniques sont des horloges atomiques stables, qui peuvent être facilement reproduites. Des faisceaux laser externes sont utilisés pour les lier efficacement, ce qui signifie que le même dispositif peut être reconfiguré sans perturber les paramètres internes. Cela est fait pour s'adapter à tout type d'application de calcul quantique qui pourrait survenir à l'avenir. Voyons ce qu'ils ont réellement développé et en quoi c'est bénéfique.

Qu'est-ce qu'un simulateur quantique exactement ?

Les systèmes quantiques sont difficiles à étudier en laboratoire et presque impossibles à modéliser sur un superordinateur, c'est pourquoi nous utilisons un simulateur quantique pour étudier les motifs et les caractéristiques du calcul quantique. Ils sont spécialement développés pour fournir des détails sur certains problèmes de physique.

La technique de simulation d'un système quantique avec de multiples particules nécessite un temps exponentiel sur un ordinateur conventionnel. Cependant, nous pouvons le simuler via un ordinateur quantique en utilisant plusieurs bits quantiques similaires au nombre de particules dans le système original. Cela a été étendu à une large gamme de catégories de systèmes quantiques.

À ce jour, les simulateurs quantiques ont été réalisés sur de nombreuses plateformes telles que les ions piégés, les circuits supraconducteurs, les gaz quantiques ultrafroids et les systèmes photoniques.

Utiliser du matériel quantique pour des problèmes quantiques

Les superordinateurs modernes ne peuvent pas gérer plus de 20 objets quantiques interactifs. C'est le cas du magnétisme quantique, où les interactions pourraient conduire à un alignement magnétique à l'échelle quantique.

Les problèmes quantiques sont généralement difficiles car chaque aimant interagit avec tous les autres aimants du système. Le simulateur que les physiciens ont développé possède 53 aimants quantiques interactifs, rendant quadrillions de configurations magnétiques possibles. Ce nombre double à l'ajout de chaque aimant unique.

C'est un type restreint d'ordinateur quantique utilisant des qubits pour imiter la matière quantique complexe. Les qubits peuvent être isolés et ils peuvent être dans deux ou plusieurs états à la fois. Ils existent sous de nombreuses formes et le choix le plus privilégié pour construire des qubits sont les atomes, qui sont le bloc de construction polyvalent de toute matière. Au cours des dernières années, les physiciens ont fait un énorme succès en contrôlant jusqu'à 20 qubits dans des simulations quantiques à petite échelle.

Pourquoi utiliser des atomes ?

Pour protéger la nature quantique du dispositif, les qubits doivent rester isolés de l'environnement. La protection devient plus difficile avec l'ajout de chaque qubit, surtout s'ils ne sont pas identiques dès le départ, comme dans les circuits fabriqués. C'est l'une des principales raisons pour lesquelles les atomes sont le choix privilégié pour les qubits. Avec les atomes, la machinerie quantique pourrait être mise à l'échelle plus facilement qu'avec les circuits fabriqués.

Contrairement aux ordinateurs d'aujourd'hui, les qubits atomiques sont stockés dans une chambre à vide à température ambiante, ce qui maintient sa pression très similaire à l'espace extra-atmosphérique. L'isolement des qubits permet aux physiciens de contrôler précisément les qubits atomiques avec des lasers spéciaux, miroirs, fibres optiques, lentilles et circuits électriques.
Actuellement, la plupart des grandes entreprises technologiques, universités et même startups se concentrent sur le développement de prototypes de machines quantiques capables de contrôler un grand nombre de qubits.

Simulateur à 53 qubits

Tous les qubits atomiques ont la même charge électrique, donc ils se repoussent. En se repoussant plus loin, un champ électrique personnalisé les force à revenir ensemble. Ces deux forces s'équilibrent, faisant en sorte que les ions restent en une seule ligne. Les scientifiques utilisent la répulsion inhérente pour générer des interactions ion-ion, essentielles pour simuler la matière quantique interactive.

L'impulsion laser contrôle tous les qubits et les commande dans le même état pour commencer la simulation quantique. Un autre ensemble de faisceaux laser interagit alors avec les qubits atomiques, les faisant agir comme de minuscules aimants. Maintenant, les qubits peuvent soit pointer dans une direction aléatoire, résultant en aucune aimantation, soit aligner leurs pôles avec leurs voisins pour créer un ferroaimant. Les scientifiques peuvent modifier les forces des faisceaux et analyser quelle phase l'emporte sous de nombreuses conditions laser.

Référence : Université du Maryland | Nature | DOI : 10.1038/nature24654

Il ne faut que quelques millisecondes pour que toute la simulation se déroule. En répétant ce processus plusieurs fois et en analysant les états finaux à différents points, les scientifiques peuvent observer le processus au fur et à mesure qu'il se déroule du début à la fin. Cela aiderait à comprendre comment les aimants qubits s'organisent selon différentes phases.

Dessin d'artiste du laser manipulant des qubits atomiques | Crédit : E. Edwards/JQI

L'équipe de recherche a appliqué une interaction à longue portée avec une portée et une force contrôlables, et a calculé chaque qubit avec une efficacité d'environ 99 pour cent, ce qui signifie que les corrélations à plusieurs corps entre qubits pourraient être calculées en un seul tir, permettant d'explorer directement la transition de phase dynamique et de révéler des caractéristiques intraitables qui reposent sur une connectivité élevée et des interactions à longue portée entre qubits.

Bien que le simulateur soit approprié pour sonder la matière magnétique, différents types de calculs nécessitent une machine quantique plus générale avec des interactions programmables pour fonctionner efficacement.

Prochaines étapes

Ce type de simulateurs quantiques aiderait les scientifiques à implémenter des circuits quantiques, et finalement à connecter plusieurs chaînes d'ions pour développer un ordinateur quantique complet avec une large gamme d'applications.

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L'équipe de recherche affirme qu'elle pourra bientôt contrôler jusqu'à 100 qubits ioniques ou plus. À ce stade, ils pourront potentiellement explorer des problèmes encore plus difficiles en conception de matériaux et chimie quantique. D-Wave, d'autre part, prétend produire 2 000 qubits sur une puce.

En revanche, Intel, Google et IBM utilisent des circuits électroniques supraconducteurs pour construire leurs propres ordinateurs quantiques.