Le prix Nobel Richard Feynman en plein séminaire au Cern, en 1965. 20 ans plus tard, il publiait ses réflexions sur les simulateurs et les ordinateurs quantiques © Cern

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Un simulateur quantique bat un record de vitesse de calcul

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Les ordinateurs quantiques capables d'établir la suprématie sur les ordinateurs classiques sont des mythes pour certains physiciens. On a plus d'espoir avec des simulateurs quantiques comme celui que vient de développer une équipe de chercheur et qui est le plus rapide du monde dans son domaine, celui de la modélisation du comportement de N particules en interaction.

Interview : en quoi un ordinateur quantique est-il différent ?  Le monde quantique est fascinant : à cette échelle, par exemple, les objets peuvent se trouver simultanément dans plusieurs états. Exploitant ce principe, un ordinateur quantique aurait des possibilités bien plus vastes qu’un modèle classique. Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Claude Aslangul, professeur à l’UPMC, afin qu'il nous explique le fonctionnement de cette étrange machine. 

Une équipe internationale de physiciens vient de publier dans le journal Nature Communications un article déjà déposé depuis quelque temps sur arXiv. Il concerne des travaux qui vont dans la droite ligne des réflexions faites au  début des années 1980 par le prix Nobel de physique Richard Feynman. Ami de John Von Neumann et Stanislaw Ulam depuis le projet Manhattan à Los Alamos, Feynman avait été très tôt au contact des premiers ordinateurs et il connaissait leur importance pour la physique. Pendant les années 1970, son intérêt pour l'informatique eut l'occasion de se développer encore et il devint un ami proche de Daniel Hillis, connu actuellement pour son projet de l'Horloge du Long Maintenant, ainsi que de Stephan Wolfram.

Or à la même époque, il était devenu clair pour les physiciens que les hadrons, c'est à dire les protons, les neutrons et les autres particules sensibles à l'interaction nucléaire forte étaient constitués de quarks liés par des gluons décrits par la théorie de la chromodynamique quantique. Mais les équations de cette théorie étant non linéaires, il était difficile de les résoudre analytiquement pour calculer des quantités aussi simples que la masse d'un proton. C'est peut-être ce problème, entre autres, qui a poussé Richard Feynman à réfléchir à la possibilité d'utiliser la mécanique quantique pour faire des ordinateurs plus performants, capables de simuler des systèmes quantiques trop difficiles, voire impossibles à simuler pour un ordinateur classique.

Avant l'ordinateur quantique, réalisons un simulateur quantique

En tout état de cause, Feynman et d'autres après lui devaient montrer dans les années 1980 que des calculs quantiques, non plus avec des bits d'information mais bien des qubits, permettaient effectivement d'effectuer en des temps records certains calculs échappant pour des temps raisonnables aux supercalculateurs classiques.

L'idéal serait bien sûr de disposer d'un véritable ordinateur quantique universel programmable, une machine de Turing universelle, mais on se trouve confronté à un redoutable obstacle si l'on souhaite obtenir ne serait-ce que l'équivalent d'une calculatrice programmable des années 1970 : celui de la décohérence.

On voit ici un aimant qui flotte au-dessus d'un cuprate en phase supraconductrice baignant dans de l'azote liquide. Les cuprates sont, à l’heure actuelle, ceux qui présentent une supraconductivité aux plus hautes températures, environ 140 K. Ce sont les seuls matériaux qui sont supraconducteurs aux températures de l’azote liquide. Ils font partie des supraconducteurs non conventionnels, car on ne s'explique pas leur existence à l'aide de la théorie standard de la supraconductivité. Les cuprates supraconducteurs sont des exemples de matériaux en physique quantique que l'on ne comprend pas vraiment. Des simulateurs quantiques pourraient nous aider à y voir plus clair.© Mai-Linh Doan, Wikimedia Commons, GNU 1.2

Un objectif plus raisonnable est d'obtenir plutôt un simulateur quantique, c'est-à-dire l'équivalent des calculateurs analogiques que l'on employait déjà avant que n'existent des ordinateurs. Ainsi, un circuit électrique avec des oscillateurs simples à fabriquer et à modifier peut être décrit par des équations mathématiquement identiques à celles décrivant un système mécanique complexe, comme une voiture, un avion ou même un grand nombre d'étoiles dans une galaxie. Il est alors plus facile de simuler le comportement de ces systèmes complexes en faisant des expériences avec des circuits électriques. De même, certains systèmes quantiques aux propriétés facilement contrôlables sont équivalents à d'autres qui le sont plus difficilement.

On peut espérer mieux comprendre de cette façon ce qui se passe dans certains matériaux magnétiques complexes potentiellement capables de révolutionner la technologie, comme par exemple avec les supraconducteurs à haute température critique qui restent des énigmes. L'impact des simulateurs quantiques devrait aussi être important en chimie où il n'est guère aisé de comprendre ce qui se passe avec des molécules contenant un grand nombre d'atomes. Cela pourrait conduire à des percées importantes dans le domaine des médicaments.

Le problème à N corps simulé avec des atomes de Rydberg

On peut ramener les problèmes que l'on vient de mentionner à celui que l'on appelle en physique le problème des N corps. Comme son nom l'indique, il s'agit de comprendre ce qui se passe quand un grand nombre de particules sont en interaction, que ce soient des électrons dans un supraconducteur ou des quarks et des gluons dans les hadrons.

Comme l'explique un communiqué de l'Institute for Molecular Science japonais, les physiciens ont donc accompli une prouesse avec les travaux exposés dans l'article aujourd'hui publié dans Nature Communications. Ils ont fabriqué un simulateur du problème à N corps en utilisant des atomes de Rydberg pilotés par des impulsions lasers ultracourtes. Ces atomes possèdent des électrons excités se trouvant sur des couches électroniques tellement éloignées de leur noyau que leur taille est au moins cent fois plus grande. En l'occurrence, il s'agit d'environ un million d'atomes de rubidium ultrafroids refroidis par laser à presque un cent millième de degré Kelvin.

Cela leur permet de simuler le comportement quantique de 40 particules en environ un milliardième de seconde ce qui en fait, pour le moment, le simulateur quantique le plus rapide du monde avec le problème à N corps. Ses performances devraient augmenter dans le futur jusqu'à permettre de battre les superordinateurs dans ce domaine, selon les chercheurs.

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