Le recuit quantique améliore la compréhension des systèmes quantiques à N corps

Les physiciens poursuivent depuis longtemps l’idée de simuler des particules quantiques avec un ordinateur lui-même constitué de particules quantiques. C’est exactement ce qu’ont fait des scientifiques du Forschungszentrum Jülich en collaboration avec des collègues slovènes.

Ils ont utilisé un recuit quantique pour modéliser un matériau quantique réel et ont montré que le recuit quantique peut refléter directement les interactions microscopiques des électrons dans le matériau.

Le résultat est une avancée significative dans le domaine, démontrant l’applicabilité pratique de l’informatique quantique à la résolution de problèmes complexes liés à la science des matériaux. En outre, les chercheurs ont découvert des facteurs susceptibles d’améliorer la durabilité et l’efficacité énergétique des dispositifs de mémoire quantique. Les résultats ont été publiés dans Communications naturelles.

Au début des années 1980, Richard Feynman s’est demandé s’il était possible de modéliser la nature avec précision à l’aide d’un ordinateur classique. Sa réponse a été : non. Le monde est constitué de particules fondamentales, décrites par les principes de la physique quantique. La croissance exponentielle des variables qui doivent être incluses dans les calculs pousse même les supercalculateurs les plus puissants dans leurs retranchements. Au lieu de cela, Feynman a suggéré d’utiliser un ordinateur lui-même composé de particules quantiques. Grâce à sa vision, Feynman est considéré par beaucoup comme le père de l’informatique quantique.

Les scientifiques du Forschungszentrum Jülich, en collaboration avec des collègues d’institutions slovènes, ont désormais montré que cette vision pouvait réellement être mise en pratique. L’application qu’ils étudient est ce qu’on appelle un système à plusieurs corps. De tels systèmes décrivent le comportement d’un grand nombre de particules qui interagissent entre elles.

Dans le contexte de la physique quantique, ils contribuent à expliquer des phénomènes tels que la supraconductivité ou les transitions de phase quantique au zéro absolu. À une température de 0 Kelvin, au lieu de fluctuations thermiques, seules des fluctuations quantiques se produisent lorsqu’un paramètre physique tel que le champ magnétique change.

“L’un des défis de la recherche sur les matériaux quantiques est de mesurer et de modéliser quantitativement les transitions de phase des systèmes à N corps”, explique Dragan Mihailović de l’Institut Jožef Stefan en Slovénie. Dans cette étude, les scientifiques ont étudié le matériau quantique 1T-TaS₂qui est utilisé dans un large éventail d’applications, notamment l’électronique supraconductrice et les dispositifs de stockage économes en énergie.

Jaka Vodeb du Jülich Supercomputing Center décrit l’approche : « Nous avons placé le système dans un état de non-équilibre et observé comment les électrons dans le réseau à l’état solide se réorganisent après une transition de phase hors équilibre, à la fois expérimentalement et par le biais de simulations. “

Tous les calculs ont été effectués à l’aide du recuit quantique de la société D-Wave, intégré à l’infrastructure unifiée de Jülich pour l’informatique quantique, JUNIQ.

Les chercheurs ont pu modéliser avec succès le passage d’une dynamique induite par la température à une dynamique dominée par les fluctuations quantiques bruyantes. En outre, les scientifiques ont démontré que les interconnexions de qubits du recuit quantique peuvent refléter directement les interactions microscopiques entre les électrons dans un matériau quantique. Un seul paramètre du recuit quantique doit être modifié. Le résultat s’aligne étroitement sur les résultats expérimentaux.

Mais la recherche a aussi des applications pratiques. Par exemple, une compréhension plus approfondie du 1T-TaS₂Les dispositifs de mémoire basés sur ces technologies peuvent conduire à un dispositif de mémoire quantique pratique, implémenté directement sur une unité de traitement quantique (QPU). De tels dispositifs peuvent contribuer au développement d’appareils électroniques économes en énergie, réduisant ainsi considérablement la consommation d’énergie des systèmes informatiques.

La recherche met en évidence le potentiel des recuits quantiques dans la résolution de problèmes pratiques, ouvrant la voie à leur application plus large dans divers domaines tels que la cryptographie, la science des matériaux et les simulations de systèmes complexes. De plus, les résultats ont des implications directes pour le développement de dispositifs de mémoire quantique économes en énergie.