Dévoilement d'un simulateur quantique record de 53 qubits

• Les physiciens ont construit 53 aimants quantiques à interaction, ce qui rend possible une configuration d'un quadrillion d'aimants.
• Il s'agit d'un ordinateur quantique de type restreint utilisant des qubits atomiques pour imiter une matière quantique complexe.
• Ils ont mesuré chaque qubit avec une efficacité d'environ 99 %.

Des physiciens de l'Université du Maryland et du National Institute of Standards and Technology ont utilisé 53 qubits atomiques en interaction pour imiter la matière quantique magnétique, établissant ainsi un nouveau record. Il s'agit de la plus grande simulation quantique jamais réalisée avec une mesure unique et très efficace de qubits individuels.

Ils ont utilisé jusqu'à 53 ions ytterbium, qui sont des atomes modifiés piégés par des électrodes tranchantes et recouvertes d'or. Un système complémentaire développé par des scientifiques du MIT et de Harvard utilise 51 atomes de rubidium confinés par des faisceaux laser. Cette plate-forme expérimentale pourrait être étendue pour résoudre des problèmes quantiques difficiles (comme l'échantillonnage d'Ising) qui dépassent de loin les limites des supercalculateurs modernes les plus rapides.

Des simulations avec un plus petit nombre de qubits d'ions piégés ont déjà été démontrées, et désormais, 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 pourraient être facilement reproduites. Des faisceaux laser externes sont utilisés pour les relier efficacement, ce qui signifie que le même appareil peut être reconfiguré sans perturber les paramètres internes. Ceci est fait pour adapter tout type d’application d’informatique quantique qui apparaîtra dans le futur. Découvrons ce qu'ils ont réellement développé et en quoi cela est bénéfique.

Qu'est-ce que les simulateurs quantiques exactement ?

Les systèmes quantiques sont difficiles à étudier en laboratoire et presque impossibles à modéliser à l’aide d’un superordinateur. C’est pourquoi nous utilisons un simulateur quantique pour étudier les modèles et les caractéristiques de l’informatique quantique. Ils sont spécialement développés pour fournir des détails sur certains problèmes de physique.

La technique permettant de simuler un système quantique avec plusieurs 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 d’origine. Cela a été étendu à un large éventail de catégories de systèmes quantiques.

Jusqu'à présent, des simulateurs quantiques ont été réalisés sur de nombreuses plates-formes 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 supercalculateurs modernes ne peuvent pas gérer plus de 20 objets quantiques en interaction. 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 développé par les physiciens comporte 53 aimants quantiques en interaction, ce qui rend possible une configuration d’aimants en quadrillions. Ce nombre double avec l'ajout de chaque aimant.

Il s’agit d’un type restreint d’ordinateur quantique utilisant des qubits pour imiter une matière quantique complexe. Les qubits peuvent être isolés et se trouver dans deux états ou plus à la fois. Ils se présentent sous de nombreuses formes et le choix le plus privilégié pour construire des qubits sont les atomes, qui sont la pierre angulaire de toutes les matières. Au cours des dernières années, les physiciens ont remporté 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 de l’appareil, les qubits doivent rester isolés de l’environnement. La protection devient plus dure 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 facilement mise à l'échelle par rapport aux circuits fabriqués.

Contrairement à l’ordinateur actuel, les qubits atomiques sont stockés dans une chambre à vide à température ambiante, ce qui maintient leur pression très similaire à celle de l’espace. L'isolation des qubits permet aux physiciens de contrôler avec précision les qubits atomiques à l'aide de lasers spéciaux, de miroirs, de fibres optiques, de lentilles et de circuits électriques.
À l'heure actuelle, la plupart des géants de la technologie, des universités et même des startups se concentrent sur le développement de prototypes de machines quantiques capables de contrôler un grand nombre de qubits.

Simulateur 53 Qubits

Tous les qubits atomiques ont la même charge électrique, ils se repoussent donc. À mesure qu’ils s’éloignent, un champ électrique personnalisé les rapproche. Ces deux forces s’équilibrent, permettant aux ions de rester sur une seule ligne. Les scientifiques utilisent la répulsion inhérente pour générer des interactions ion-ion, essentielles à la simulation de la matière quantique en interaction.

L’impulsion laser contrôle tous les qubits et les met dans le même état pour commencer la simulation quantique. Un autre ensemble de faisceaux laser interagit ensuite avec les qubits atomiques, les faisant agir comme de minuscules aimants. Désormais, les qubits peuvent soit pointer dans une direction aléatoire, ce qui n'entraîne aucune magnétisation, soit aligner leurs pôles avec leurs voisins pour créer un ferromagnétique. Les scientifiques peuvent modifier l'intensité du faisceau et analyser quelle phase l'emporte dans de nombreuses conditions laser.

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

Quelques millisecondes suffisent pour que la simulation complète ait lieu. En répétant ce processus plusieurs fois et en analysant les états finaux à différents moments, les scientifiques peuvent observer le processus 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'artistes représentant un 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 %, ce qui signifie que de nombreuses corrélations corporelles entre les qubits ont pu être calculées en une seule fois, permettant à la transition de phase dynamique de sonder directement et de révéler des caractéristiques intraitables qui reposent sur une connectivité élevée et des interactions à longue portée entre les 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.

Quelle est la prochaine étape ?

Ces types de simulateurs quantiques aideraient les scientifiques à mettre en œuvre des circuits quantiques et, à terme, à connecter plusieurs chaînes d'ions entre elles pour développer un ordinateur quantique complet avec un large éventail d'applications.

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L’équipe de recherche affirme qu’elle sera bientôt capable de contrôler jusqu’à 100 qubits d’ions ou plus. À ce stade, ils pourront potentiellement explorer des problèmes encore plus difficiles en matière de conception de matériaux et de chimie quantique. D-Wave, quant à lui, 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.