Deux articles récents règlent des questions de longue date sur les algorithmes des futurs ordinateurs quantiques.
Des percées théoriques récentes ont réglé deux questions de longue date sur la viabilité de la simulation de systèmes quantiques sur les futurs ordinateurs quantiques, surmontant les défis des analyses de complexité pour permettre des algorithmes plus avancés. Présentés dans deux publications, les travaux d’une équipe quantique du Laboratoire national de Los Alamos montrent que les propriétés physiques des systèmes quantiques permettent des techniques de simulation plus rapides.
« Des algorithmes basés sur ces travaux seront nécessaires pour la première démonstration à grande échelle de simulations quantiques sur des ordinateurs quantiques », a déclaré Rolando Somma, théoricien quantique à Los Alamos et coauteur des deux articles.
Les états quantiques à basse énergie sont la clé d’une simulation quantique plus rapide
L’article « Simulation hamiltonienne dans le sous-espace à basse énergie » démontre que la complexité d’un algorithme de simulation quantique dépend de l’échelle d’énergie pertinente et non de la gamme complète d’énergies du système, comme on le pensait auparavant. En fait, certains systèmes quantiques peuvent avoir des états d’énergies illimitées, par conséquent les simulations s’avéreraient insolubles même sur de grands ordinateurs quantiques.
Cette nouvelle recherche a révélé que, si un système quantique explore uniquement les états de basse énergie, il pourrait être simulé avec une faible complexité sur un ordinateur quantique sans que des erreurs n’interrompent la simulation.
“Notre travail ouvre la voie à une étude systématique des simulations quantiques à basses énergies, qui seront nécessaires pour rapprocher les simulations quantiques de la réalité”, a déclaré Burak Sahinoglu, physicien théoricien à Los Alamos et auteur principal de l’article, publié dans le journal Informations quantiques, une revue partenaire de Nature.
“Nous montrons qu’à chaque étape de l’algorithme, vous n’échappez jamais aux très grandes énergies”, a déclaré Somma. « Il existe un moyen d’écrire votre algorithme quantique de sorte qu’après chaque étape, vous soyez toujours dans votre sous-espace à basse énergie. »
Les auteurs ont déclaré que leurs recherches s’appliquent à une grande classe de systèmes quantiques et seront utiles pour simuler les théories quantiques des champs, qui décrivent des phénomènes physiques dans leurs états de basse énergie.
L’avance rapide des systèmes quantiques contourne le principe d’incertitude temps-énergie
L’autre article, “Fast-forwarding quantum evolution”, une collaboration avec Shouzhen Gu de Caltech, un ancien de Los Alamos. l’informatique quantique étudiant de l’école d’été – est publié dans Quantum. Il montre trois systèmes quantiques dans lesquels un algorithme de simulation quantique peut fonctionner plus rapidement – et dans certains cas de manière exponentielle – que les limites suggérées par le principe d’incertitude temps-énergie.
“En mécanique quantique, la meilleure précision qui peut être obtenue lors de la mesure des échelles d’énergie d’un système, en général, avec l’inverse de la durée de la mesure”, a déclaré Somma.
“Cependant, ce principe ne s’applique pas à tous les systèmes quantiques, en particulier ceux qui ont certaines caractéristiques physiques”, a déclaré Sahinoglu.
Les auteurs ont montré que lorsque ce principe est contourné, de tels systèmes quantiques peuvent également être simulés très efficacement, ou accélérés, sur des ordinateurs quantiques.
Les références:
« Simulation hamiltonienne dans le sous-espace à basse énergie » par Burak Sahinoglu et Rolando D. Somma, 27 juillet 2021, Informations quantiques npj.
DOI : 10.1038/s41534-021-00451-w
« Fast-forwarding quantum evolution » par Shouzhen Gu, Rolando D. Somma et Burak Sahinoglu, 15 novembre 2021, Quantum.
DOI : 10.22331/q-2021-11-15-577
Financement : DOE SC HEP, ASCR, National Quantum Information Science Research Centers, Quantum Science Center.
