De nouveaux ordinateurs quantiques analogiques pour résoudre des problèmes auparavant insolubles

Sep 04, 2023

30 janvier 2023

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par University College Dublin

Les physiciens ont inventé un nouveau type d'ordinateur quantique analogique capable de résoudre des problèmes de physique difficiles que les superordinateurs numériques les plus puissants ne peuvent pas résoudre.

De nouvelles recherches publiées dans Nature Physics par des scientifiques collaborateurs de l'Université de Stanford aux États-Unis et de l'University College Dublin (UCD) en Irlande ont montré qu'un nouveau type d'ordinateur analogique hautement spécialisé, dont les circuits comportent des composants quantiques, peut résoudre des problèmes de pointe de la physique quantique qui étaient auparavant hors de portée. Lorsqu'ils seront mis à l'échelle, de tels dispositifs pourraient être en mesure de faire la lumière sur certains des problèmes non résolus les plus importants de la physique.

Par exemple, les scientifiques et les ingénieurs souhaitent depuis longtemps acquérir une meilleure compréhension de la supraconductivité, car les matériaux supraconducteurs existants, tels que ceux utilisés dans les appareils d'IRM, les trains à grande vitesse et les réseaux électriques longue distance à haut rendement énergétique, ne fonctionnent actuellement qu'à des températures extrêmement basses, ce qui limite leur utilisation plus large. Le Saint Graal de la science des matériaux est de trouver des matériaux supraconducteurs à température ambiante, ce qui révolutionnerait leur utilisation dans une multitude de technologies.

Le Dr Andrew Mitchell est directeur du Centre UCD pour l'ingénierie, la science et la technologie quantiques (C-QuEST), physicien théoricien à l'UCD School of Physics et co-auteur de l'article.

Il a déclaré : « Certains problèmes sont tout simplement trop complexes pour être résolus, même par les ordinateurs numériques classiques les plus rapides. La simulation précise de matériaux quantiques complexes tels que les supraconducteurs à haute température est un exemple vraiment important – ce type de calcul dépasse de loin les capacités actuelles en raison du temps de calcul exponentiel et des besoins en mémoire nécessaires pour simuler les propriétés de modèles réalistes.

"Cependant, les progrès technologiques et techniques à l'origine de la révolution numérique ont apporté avec eux la capacité sans précédent de contrôler la matière à l'échelle nanométrique. Cela nous a permis de concevoir des ordinateurs analogiques spécialisés, appelés" simulateurs quantiques ", qui résolvent des modèles spécifiques de physique quantique en exploitant les propriétés mécaniques quantiques inhérentes de ses composants à l'échelle nanométrique. Bien que nous n'ayons pas encore été en mesure de construire un ordinateur quantique programmable polyvalent avec une puissance suffisante pour résoudre tous les problèmes ouverts en physique, nous pouvons maintenant créer des dispositifs analogiques sur mesure avec des composants quantiques capables de résoudre problèmes spécifiques de physique quantique."

L'architecture de ces nouveaux dispositifs quantiques implique des composants hybrides métal-semi-conducteur incorporés dans un circuit nanoélectronique, conçu par des chercheurs de Stanford, UCD et du Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory (situé à Stanford). Le groupe expérimental de nanosciences de Stanford, dirigé par le professeur David Goldhaber-Gordon, a construit et exploité l'appareil, tandis que la théorie et la modélisation ont été réalisées par le Dr Mitchell de l'UCD.

Le professeur Goldhaber-Gordon, chercheur à l'Institut des sciences des matériaux et de l'énergie de Stanford, a déclaré : "Nous créons toujours des modèles mathématiques qui, nous l'espérons, captureront l'essence des phénomènes qui nous intéressent, mais même si nous pensons qu'ils sont corrects, ils ne peuvent souvent pas être résolus dans un laps de temps raisonnable."

Avec un simulateur quantique, "nous avons ces boutons à tourner que personne n'a jamais eu auparavant", a déclaré le professeur Goldhaber-Gordon.

L'idée essentielle de ces appareils analogiques, a déclaré Goldhaber-Gordon, est de construire une sorte d'analogie matérielle avec le problème que vous souhaitez résoudre, plutôt que d'écrire du code informatique pour un ordinateur numérique programmable. Par exemple, supposons que vous vouliez prédire les mouvements des planètes dans le ciel nocturne et le moment des éclipses. Vous pourriez le faire en construisant un modèle mécanique du système solaire, où quelqu'un tourne une manivelle, et des engrenages rotatifs imbriqués représentent le mouvement de la lune et des planètes.

En fait, un tel mécanisme a été découvert dans une ancienne épave au large d'une île grecque datant de plus de 2000 ans. Cet appareil peut être considéré comme un tout premier ordinateur analogique.

À ne pas négliger, les machines analogiques ont été utilisées jusqu'à la fin du XXe siècle pour des calculs mathématiques qui étaient trop difficiles pour les ordinateurs numériques les plus avancés de l'époque.

Mais pour résoudre des problèmes de physique quantique, les dispositifs doivent impliquer des composants quantiques. La nouvelle architecture Quantum Simulator implique des circuits électroniques avec des composants nanométriques dont les propriétés sont régies par les lois de la mécanique quantique. Il est important de noter que de nombreux composants de ce type peuvent être fabriqués, chacun se comportant essentiellement de manière identique aux autres.

Ceci est crucial pour la simulation analogique des matériaux quantiques, où chacun des composants électroniques du circuit est un proxy pour un atome simulé et se comporte comme un "atome artificiel". Tout comme différents atomes du même type dans un matériau se comportent de manière identique, les différents composants électroniques de l'ordinateur analogique doivent également le faire.

La nouvelle conception offre donc une voie unique pour faire passer la technologie d'unités individuelles à de grands réseaux capables de simuler la matière quantique en vrac. De plus, les chercheurs ont montré que de nouvelles interactions quantiques microscopiques peuvent être conçues dans de tels dispositifs. Le travail est une étape vers le développement d'une nouvelle génération d'ordinateurs quantiques analogiques à semi-conducteurs évolutifs.

Pour démontrer la puissance du calcul quantique analogique à l'aide de leur nouvelle plate-forme Quantum Simulator, les chercheurs ont d'abord étudié un circuit simple comprenant deux composants quantiques couplés ensemble.

L'appareil simule un modèle de deux atomes couplés ensemble par une interaction quantique particulière. En ajustant les tensions électriques, les chercheurs ont pu produire un nouvel état de la matière dans lequel les électrons semblent n'avoir qu'un tiers de leur charge électrique habituelle, appelés "parafermions Z3". Ces états insaisissables ont été proposés comme base pour le futur calcul quantique topologique, mais jamais créés auparavant en laboratoire dans un appareil électronique.

"En augmentant le simulateur quantique de deux à plusieurs composants de taille nanométrique, nous espérons que nous pourrons modéliser des systèmes beaucoup plus compliqués que les ordinateurs actuels ne peuvent pas gérer", a déclaré le Dr Mitchell. "Cela pourrait être la première étape pour enfin élucider certains des mystères les plus déroutants de notre univers quantique."

Plus d'information: Andrew Mitchell, Simulation quantique d'un point critique quantique exotique dans un circuit Kondo de charge à deux sites, Nature Physics (2023). DOI : 10.1038/s41567-022-01905-4. www.nature.com/articles/s41567-022-01905-4

Informations sur la revue :Physique naturelle

Fourni par University College Dublin