Les “vols de Lévy” décrivent les propriétés statistiques des aimants quantiques élémentaires ainsi que celles des abeilles en quête de nourriture. Crédit : Christoph Hohmann (MCQST Cluster)
Un simulateur quantique donne un aperçu de la dynamique des systèmes quantiques complexes.
A première vue, un système composé de 51 ions peut sembler facilement gérable. Mais même si ces atomes chargés ne font que passer d’un état à l’autre, le résultat est de plus de deux quadrillions (10 %) d’ions.15) d’ordres différents que le système peut prendre.
Le comportement d’un tel système est pratiquement impossible à calculer avec les ordinateurs classiques, d’autant plus qu’une excitation introduite dans le système peut se propager de manière erratique. L’excitation suit un modèle statistique connu sous le nom de Vol de Lévy.
Une caractéristique de ces mouvements est que, outre les petits sauts auxquels il faut s’attendre, des sauts nettement plus importants ont parfois lieu. Ce phénomène peut également être observé dans les vols d’abeilles et dans les mouvements féroces inhabituels du marché boursier.
Simulation de la dynamique quantique : Une tâche traditionnellement difficile
Si la simulation de la dynamique d’un système quantique complexe est une tâche très difficile, même pour les superordinateurs traditionnels, elle est un jeu d’enfant pour les simulateurs quantiques. Mais comment vérifier les résultats d’un simulateur quantique sans la possibilité d’effectuer les mêmes calculs que lui ?
L’observation des systèmes quantiques indique qu’il pourrait être possible de représenter au moins le comportement à long terme de ces systèmes avec des équations comme celles que les frères Bernoulli ont développées au 18ème siècle pour décrire le comportement des fluides.
Afin de tester cette hypothèse, les auteurs ont utilisé un système quantique qui simule la dynamique des aimants quantiques. Ils ont pu l’utiliser pour prouver que, après une phase initiale dominée par les effets de la mécanique quantique, le système pouvait effectivement être décrit avec des équations du type de celles familières à la dynamique des fluides.
En outre, ils ont montré que les mêmes statistiques de vol de Lévy qui décrivent les stratégies de recherche utilisées par les abeilles s’appliquent également aux processus de dynamique des fluides dans les systèmes quantiques.
Des ions capturés comme plateforme pour des simulations quantiques contrôlées
Le simulateur quantique a été construit à l’Institut d’optique quantique et d’information quantique (IQOQI) de l’Académie autrichienne des sciences, sur le campus de l’université d’Innsbruck. “Notre système simule efficacement un aimant quantique en représentant les pôles nord et sud d’un aimant moléculaire à l’aide de deux niveaux d’énergie des ions”, explique Manoj Joshi, chercheur à l’IQOQI d’Innsbruck.
“Notre plus grande avancée technique est le fait que nous avons réussi à adresser individuellement chacun des 51 ions”, observe Manoj Joshi. “En conséquence, nous avons pu étudier la dynamique de n’importe quel nombre souhaité d’états initiaux, ce qui était nécessaire pour illustrer l’émergence de la dynamique des fluides.”
“Bien que le nombre de qubits et la stabilité des états quantiques soient actuellement très limités, il existe des questions pour lesquelles nous pouvons déjà utiliser l’énorme puissance de calcul des simulateurs quantiques d’aujourd’hui”, déclare Michael Knap, professeur de dynamique quantique collective à l’Université technique de Munich.
“Dans un avenir proche, les simulateurs quantiques et les ordinateurs quantiques seront des plateformes idéales pour la recherche sur la dynamique des systèmes quantiques complexes”, explique Michael Knap. “Nous savons maintenant qu’après un certain temps, ces systèmes suivent les lois de la dynamique classique des fluides. Toute forte déviation par rapport à cela indique que le simulateur ne fonctionne pas correctement.”
Référence : “Observing emergent hydrodynamics in a long-range quantum magnet” par M. K. JoshiF. Kranzl, A. Schuckert, I. Lovas, C. MaierR. Blatt, M. Knap et C. F. Roos, 12 mai 2022, Science.
DOI : 10.1126/science.abk2400
Les activités de recherche ont été subventionnées par la Communauté européenne dans le cadre du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 et par le Conseil européen de la recherche (CER) ; par la Fondation allemande de la recherche (DFG) dans le cadre du pôle d’excellence Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST) ; et par l’Université technique de Munich par le biais de l’Institut d’études avancées, qui bénéficie de financements de l’initiative d’excellence allemande et de l’Union européenne. Un soutien supplémentaire a été apporté par la Société Max Planck (MPG) sous les auspices de l’École internationale de recherche Max Planck pour la science et la technologie quantiques (IMPRS-QST), par le Fonds autrichien pour la science (FWF) et la Fédération des associations autrichiennes pour la science et la technologie quantiques.Industries Tyrol.
Les auteurs, les professeurs Michael Knap (TU Munich) et Rainer Blatt (Université d’Innsbruck), participent activement à la “Munich Quantum Valley”, une initiative dont l’objectif est de créer un centre d’informatique quantique et de technologie quantique (ZQQ) au cours des cinq prochaines années. Il est prévu d’y construire trois ordinateurs quantiques basés sur des qubits supraconducteurs ainsi que sur des qubits provenant d’ions et d’atomes. Parmi les membres de l’association Munich Quantum Valley e.V. figurent l’Académie bavaroise des sciences et des lettres (BAdW), Fraunhofer (FhG), le Centre aérospatial allemand (DLR), la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), la Ludwig-Maximilians-Universität Munich (LMU), la Société Max Planck (MPG) et l’Université technique de Munich (TUM).
