Simulateur quantique

Les simulateurs quantiques permettent d'étudier un système quantique de manière programmable. Dans ce cas, les simulateurs sont des dispositifs à usage spécifique conçus pour fournir des informations sur des problèmes de physique spécifiques . ordinateurs quantiques « numériques » généralement programmables , qui seraient capables de résoudre une classe plus large de problèmes quantiques.

Un simulateur quantique universel est un ordinateur quantique proposé par Yuri Manin en 1980 et Richard Feynman en 1982.

Un système quantique peut être simulé soit par une machine de Turing , soit par une machine de Turing quantique , car une machine de Turing classique est capable de simuler un ordinateur quantique universel (et donc tout simulateur quantique plus simple), ce qui signifie qu'ils sont équivalents du point de vue de la théorie de la calculabilité . La simulation de la physique quantique par un ordinateur classique s'est avérée inefficace. En d'autres termes, les ordinateurs quantiques n'offrent aucune puissance supplémentaire par rapport aux ordinateurs classiques en termes de calculabilité, mais on soupçonne qu'ils peuvent résoudre certains problèmes plus rapidement que les ordinateurs classiques, ce qui signifie qu'ils peuvent appartenir à des classes de complexité différentes , c'est pourquoi les machines de Turing quantiques sont utiles pour simuler des systèmes quantiques. C'est ce qu'on appelle la suprématie quantique , l'idée qu'il existe des problèmes que seules les machines de Turing quantiques peuvent résoudre dans un laps de temps raisonnable .

Un système quantique composé de nombreuses particules pourrait être simulé par un ordinateur quantique en utilisant un nombre de bits quantiques similaire au nombre de particules du système d'origine. Cette méthode a été étendue à des classes beaucoup plus vastes de systèmes quantiques.

Des simulateurs quantiques ont été réalisés sur un certain nombre de plateformes expérimentales, notamment des systèmes de gaz quantiques ultra-froids , des molécules polaires, des ions piégés, des systèmes photoniques, des points quantiques et des circuits supraconducteurs.

De nombreux problèmes importants en physique, en particulier la physique des basses températures et la physique à N corps , restent mal compris car la mécanique quantique sous-jacente est extrêmement complexe. Les ordinateurs conventionnels, y compris les superordinateurs, ne sont pas adaptés à la simulation de systèmes quantiques avec seulement 30 particules car la dimension de l'espace de Hilbert croît de manière exponentielle avec le nombre de particules. De meilleurs outils de calcul sont nécessaires pour comprendre et concevoir rationnellement des matériaux dont les propriétés sont censées dépendre du comportement quantique collectif de centaines de particules. Les simulateurs quantiques offrent une voie alternative pour comprendre les propriétés de ces systèmes. Ces simulateurs créent des réalisations propres de systèmes spécifiques d'intérêt, ce qui permet des réalisations précises de leurs propriétés. Un contrôle précis et une large accordabilité des paramètres du système permettent de démêler clairement l'influence de divers paramètres.

Les simulateurs quantiques peuvent résoudre des problèmes difficiles à simuler sur des ordinateurs classiques, car ils exploitent directement les propriétés quantiques des particules réelles. Ils exploitent notamment une propriété de la mécanique quantique appelée superposition , dans laquelle une particule quantique est amenée à se trouver dans deux états distincts en même temps, par exemple alignée et anti-alignée avec un champ magnétique externe. De manière cruciale, les simulateurs tirent également parti d'une deuxième propriété quantique appelée intrication , qui permet de corréler le comportement de particules même physiquement bien séparées.

Récemment, des simulateurs quantiques ont été utilisés pour obtenir des cristaux temporels et des liquides de spin quantiques .

Un système basé sur un piège à ions constitue un cadre idéal pour simuler les interactions dans les modèles de spin quantique. Un simulateur d'ions piégés , construit par une équipe comprenant le NIST, peut concevoir et contrôler les interactions entre des centaines de bits quantiques (qubits). Les efforts précédents n'ont pas pu dépasser 30 bits quantiques. La capacité de ce simulateur est 10 fois supérieure à celle des appareils précédents. Il a passé avec succès une série de tests d'évaluation importants qui indiquent une capacité à résoudre des problèmes de science des matériaux impossibles à modéliser sur des ordinateurs conventionnels.

Le simulateur d’ions piégés est constitué d’un minuscule cristal monoplan de centaines d’ ions de béryllium , de moins d’un millimètre de diamètre, flottant à l’intérieur d’un dispositif appelé piège de Penning . L’ électron le plus externe de chaque ion agit comme un minuscule aimant quantique et est utilisé comme un qubit, l’équivalent quantique d’un « 1 » ou d’un « 0 » dans un ordinateur classique. Dans l’expérience de référence, les physiciens ont utilisé des faisceaux laser pour refroidir les ions jusqu’à un niveau proche du zéro absolu. Des impulsions micro-ondes et laser soigneusement chronométrées ont ensuite provoqué l’interaction des qubits, imitant le comportement quantique de matériaux autrement très difficiles à étudier en laboratoire. Bien que les deux systèmes puissent sembler dissemblables de l’extérieur, leur comportement est conçu pour être mathématiquement identique. De cette façon, les simulateurs permettent aux chercheurs de faire varier des paramètres qui ne pourraient pas être modifiés dans les solides naturels, tels que l’espacement et la géométrie du réseau atomique.

Français Friedenauer et al. ont manipulé de manière adiabatique 2 spins, montrant leur séparation en états ferromagnétiques et antiferromagnétiques. Kim et al. ont étendu le simulateur quantique d'ions piégés à 3 spins, avec des interactions Ising antiferromagnétiques globales présentant une frustration et montrant le lien entre frustration et intrication et Islam et al. ont utilisé la simulation quantique adiabatique pour démontrer l'accentuation d'une transition de phase entre l'ordre paramagnétique et ferromagnétique lorsque le nombre de spins augmentait de 2 à 9. Barreiro et al. ont créé un simulateur quantique numérique de spins en interaction avec jusqu'à 5 ions piégés par couplage à un réservoir ouvert et Lanyon et al. ont démontré une simulation quantique numérique avec jusqu'à 6 ions. Islam et al. ont démontré une simulation quantique adiabatique du modèle transversal d'Ising avec des interactions à portée variable (longue) avec jusqu'à 18 spins d'ions piégés, montrant le contrôle du niveau de frustration de spin en ajustant la plage d'interaction antiferromagnétique. Britton et al. du NIST ont expérimentalement comparé les interactions d'Ising dans un système de centaines de qubits pour des études de magnétisme quantique. Pagano et al. ont rapporté un nouveau système de piégeage d'ions cryogénique conçu pour le stockage à long terme de grandes chaînes d'ions démontrant des opérations cohérentes à un et deux qubits pour des chaînes allant jusqu'à 44 ions. Joshi et al. ont sondé la dynamique quantique de 51 ions contrôlés individuellement, réalisant une chaîne de spin en interaction à longue portée.

De nombreuses expériences sur des atomes ultra-froids sont des exemples de simulateurs quantiques. Il s'agit notamment d'expériences étudiant des bosons ou des fermions dans des réseaux optiques , le gaz de Fermi unitaire, les réseaux d'atomes de Rydberg dans des pinces optiques . Un point commun à ces expériences est la capacité à réaliser des hamiltoniens génériques, tels que l' hamiltonien de Hubbard ou l'hamiltonien d'Ising à champ transversal . Les principaux objectifs de ces expériences comprennent l'identification des phases à basse température ou le suivi de la dynamique hors d'équilibre pour divers modèles, problèmes qui sont théoriquement et numériquement insolubles. D'autres expériences ont réalisé des modèles de matière condensée dans des régimes difficiles ou impossibles à réaliser avec des matériaux conventionnels, tels que le modèle de Haldane et le modèle de Harper-Hofstadter .

Les simulateurs quantiques utilisant des qubits supraconducteurs se répartissent en deux catégories principales. Tout d'abord, les recuits quantiques déterminent les états fondamentaux de certains hamiltoniens après une rampe adiabatique. Cette approche est parfois appelée calcul quantique adiabatique . Ensuite, de nombreux systèmes émulent des hamiltoniens spécifiques et étudient leurs propriétés d'état fondamental, les transitions de phase quantiques ou la dynamique temporelle. Plusieurs résultats récents importants incluent la réalisation d'un isolant de Mott dans un système Bose-Hubbard à dissipation entraînée et des études de transitions de phase dans des réseaux de résonateurs supraconducteurs couplés à des qubits.