Résoudre des problèmes auparavant insolubles : un nouveau type d'ordinateur quantique analogique

Sep 04, 2023

Par UCD Research & Innovation10 mars 2023

Les ordinateurs quantiques analogiques sont un type d'ordinateur quantique qui fonctionne à l'aide de variables continues, telles que l'amplitude et la phase d'une fonction d'onde quantique, pour effectuer des calculs.

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

A groundbreaking study published in Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Nature Physics par une équipe de scientifiques de l'Université de Stanford aux États-Unis et de l'University College Dublin (UCD) en Irlande a révélé qu'un nouveau type d'ordinateur analogique hautement spécialisé, équipé de composants quantiques dans ses circuits, peut résoudre des problèmes complexes de physique quantique qui étaient auparavant hors de portée. Si ces appareils peuvent être mis à l'échelle, ils ont le potentiel de fournir des informations sur certains des problèmes non résolus les plus importants en physique.

Par exemple, les scientifiques et les ingénieurs recherchent depuis longtemps une compréhension plus approfondie de la supraconductivité. Actuellement, les matériaux supraconducteurs, comme ceux utilisés dans les appareils IRM, les trains à grande vitesse et les réseaux électriques longue distance économes en énergie, ne fonctionnent qu'à des températures extrêmement basses, ce qui entrave leurs applications plus larges. Le but ultime de la science des matériaux est de découvrir des matériaux qui présentent une supraconductivité à température ambiante, ce qui révolutionnerait leur utilisation dans une multitude de technologies.

Image micrographique du nouveau simulateur quantique, qui comprend deux composants métal-semi-conducteur couplés de taille nanométrique intégrés dans un circuit électronique. Crédit : Pouse, W., Peeters, L., Hsueh, CL et al. Simulation quantique d'un point critique quantique exotique dans un circuit de charge Kondo à deux sites. Nat. Phys. (2023)

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.

Le Dr Andrew Mitchell est physicien théoricien à l'University College Dublin, titulaire d'un Laureate Award du Irish Research Council et directeur du UCD Centre for Quantum Engineering, Science, and Technology (C-QuEST). Crédit : UCD Media : photo de Vincent Hoban

"However, the technological and engineering advances driving the digital revolution have brought with them the unprecedented ability to control matter at the nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> 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 tirant parti des propriétés mécaniques quantiques inhérentes à 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, ce que nous pouvons maintenant faire, c'est construire des dispositifs analogiques sur mesure avec des composants quantiques qui peuvent résoudre des 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 délai 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 renifler, des machines analogues 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.

But to solve quantum physics problems, the devices need to involve quantum components. The new Quantum Simulator architecture involves electronic circuits with nanoscale components whose properties are governed by the laws of quantum mechanics. Importantly, many such components can be fabricated, each one behaving essentially identically to the others. This is crucial for analog simulation of quantum materials, where each of the electronic components in the circuit is a proxy for an atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> atome étant simulé et se comporte comme un « atome artificiel ». Tout comme différents atomes du même type dans un matériau se comportent de manière identique, il en va de même pour les différents composants électroniques de l'ordinateur analogique.

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 - ce que l'on appelle les «parafermions Z3». Ces états insaisissables ont été proposés comme base pour le futur calcul quantique topologique, mais n'ont jamais été 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."

Référence : « Simulation quantique d'un point critique quantique exotique dans un circuit de charge Kondo à deux sites » par Winston Pouse, Lucas Peeters, Connie L. Hsueh, Ulf Gennser, Antonella Cavanna, Marc A. Kastner, Andrew K. Mitchell et David Goldhaber-Gordon, 30 janvier 2023, Nature Physics.DOI : 10.1038/s41567-022-01905- 4