Algorithme pionnier pour un calcul Qubit précis

Les scientifiques ont développé l’algorithme ACE pour étudier les interactions des qubits et les changements de leur état quantique, simplifiant le calcul de la dynamique quantique et ouvrant la voie aux progrès de l’informatique quantique et de la téléphonie.

L’informatique quantique pratique est une autre étape de plus.

Les chercheurs ont introduit un nouvel algorithme appelé Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE) conçu pour étudier les interactions des qubits avec leur environnement et les changements ultérieurs de leur état quantique. En simplifiant le calcul de la dynamique quantique, cet algorithme, basé sur l’interprétation de Feynman de la mécanique quantique, offre de nouvelles façons de comprendre et d’exploiter les systèmes quantiques. Les applications potentielles incluent les progrès de la téléphonie et de l’informatique quantiques, fournissant des prédictions plus précises sur la cohérence et l’intrication quantiques.

Les ordinateurs conventionnels utilisent des qubits, représentés par des zéros et des uns, pour transmettre des informations, tandis que les ordinateurs quantiques utilisent à la place des bits quantiques (qubits). Semblables aux bits, les qubits ont deux états ou valeurs principaux : 0 et 1. Cependant, contrairement à un bit, un qubit peut exister dans les deux états en même temps.

Bien que cela puisse sembler une ironie déconcertante, cela peut s’expliquer par une simple analogie avec une pièce de monnaie. Un bit classique peut être représenté comme une pièce de monnaie tendue avec une tête ou une pile (un ou zéro) vers le haut, tandis qu’un qubit peut être considéré comme une pièce tournante, qui a également des têtes et des queues, mais que ce soit des têtes ou des queues peut être déterminé dès qu’il s’arrête de tourner, c’est-à-dire qu’il perd son état d’origine.

Lorsqu’une pièce en rotation s’arrête, elle peut servir d’analogie pour une analogie quantique, dans laquelle l’un des deux états d’un qubit est déterminé. dans Statistiques quantitatives, différents qubits doivent être reliés entre eux, par exemple, les états 0(1) d’un qubit doivent être associés de manière unique aux états 0(1) d’un autre qubit. Lorsque les états quantiques de deux objets ou plus deviennent interconnectés, on parle d’intrication quantique.

Défi de l’intrication quantique

La principale difficulté de l’informatique quantique est que les qubits sont entourés d’un environnement et interagissent avec lui. Cette interaction peut entraîner une détérioration de l’intrication quantique des qubits, les obligeant à se séparer les uns des autres.

La similitude de deux devises peut aider à comprendre ce concept. Si deux pièces identiques sont lancées en même temps puis éteintes peu de temps après, elles peuvent se retrouver avec le même côté vers le haut, que ce soit face ou face. Cette synchronisation entre les pièces peut être comparée à l’intrication quantique. Cependant, si les pièces continuent de tourner pendant une période plus longue, elles finiront par perdre leur synchronisation et ne se retrouveront plus avec le même côté – tête ou queue – vers le haut.

La perte de synchronisation se produit parce que les pièces en rotation perdent progressivement de l’énergie, principalement en raison du frottement avec la table, et chaque pièce le fait d’une manière unique. Dans le domaine quantique, le frottement, ou la perte d’énergie due à l’interaction avec l’environnement, conduit finalement à une décohérence quantique, ce qui signifie une perte de synchronisation entre les qubits. Il en résulte un déphasage des qubits, dans lequel la phase de l’état quantique (représenté par l’angle de rotation de la pièce) change de manière aléatoire dans le temps, provoquant une perte d’informations quantiques et rendant l’informatique quantique impossible.

La représentation effective est déterminée de manière entièrement automatique et ne repose sur aucune approximation ou hypothèse préconçue. 1 crédit

Cohérence et dynamique quantiques

Le principal défi auquel de nombreux chercheurs sont confrontés aujourd’hui est de maintenir la cohérence quantique pendant de plus longues périodes. Ceci peut être réalisé en décrivant avec précision l’évolution d’un état quantique dans le temps, également connue sous le nom de dynamique quantique.

Des scientifiques du MIEM HSE Center for Quantum Metamaterials, en collaboration avec des collègues d’Allemagne et du Royaume-Uni, ont proposé un algorithme appelé Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE) comme solution pour étudier l’interaction des qubits avec leur environnement et les changements qui en résultent dans leur état quantique au fil du temps.

Un aperçu de la dynamique quantique

« Le nombre presque infini de modes de vibration ou de degrés de liberté dans l’environnement rend le calcul de la dynamique quantique particulièrement difficile. En effet, cette tâche consiste à calculer la dynamique d’un seul système quantique alors qu’il est entouré de milliards d’autres. Le calcul direct est impossible dans ce cas, car aucun ordinateur ne peut le traiter.

Cependant, tous les changements dans l’environnement n’ont pas la même importance : ceux qui se produisent à une distance suffisante de notre système quantique sont incapables d’affecter sa dynamique de manière majeure. La division en degrés de liberté environnementaux « pertinents » et « non pertinents » est à la base de notre méthode », explique Alexei Vagof, co-auteur de l’article et directeur du MIEM HSE Center for Quantum Metamaterials.

Interprétation de Feynman et algorithme ACE

Selon l’interprétation de la mécanique quantique proposée par le célèbre physicien américain Richard Feynman, le calcul de l’état quantique d’un système consiste à calculer la somme de toutes les manières possibles d’atteindre cet état. Cette explication suppose qu’une particule quantique (le système) peut se déplacer dans toutes les directions possibles, y compris vers l’avant ou vers l’arrière, vers la droite ou la gauche, et même vers l’arrière dans le temps. Les probabilités quantiques de toutes ces trajectoires doivent être additionnées pour calculer l’état final de la particule.

Le problème est qu’il existe de nombreuses trajectoires possibles même pour une seule particule, sans parler de l’ensemble de l’environnement. Notre algorithme permet de ne considérer que les chemins qui contribuent significativement à la dynamique des qubits tout en éliminant ceux qui sont négligeables. Dans notre méthode, l’évolution du qubit et de son environnement sont capturés par des tenseurs, qui sont des matrices ou des tableaux de nombres qui décrivent l’état de l’ensemble du système à différents moments dans le temps. Nous sélectionnons ensuite uniquement les parties des tenseurs qui sont pertinentes pour la dynamique du système », explique Alexey Vagoff.

Conclusion : Implications de l’algorithme ACE

Les chercheurs affirment que l’algorithme de compression automatisé pour les environnements arbitraires est accessible au public et implémenté sous forme de code informatique. Selon les auteurs, cela ouvre des possibilités complètement nouvelles pour le calcul précis de la dynamique de plusieurs systèmes quantiques. En particulier, cette méthode permet d’estimer le temps jusqu’à l’enchevêtrement Photon Les paires dans les lignes de téléphonie quantique se démêleront, c’est-à-dire jusqu’où une particule quantique peut se téléporter, ou combien de temps cela peut prendre pour que les qubits d’un ordinateur quantique perdent leur cohérence.

Référence : « Simulation of Open Quantum Systems by Automated Compression of Random Environments » par Moritz Sigorek, Michael Kozacchi, Aleksey Fagov, Vollrath-Martin Akst, Brendon W. Lovett, Jonathan Keeling et Eric M. Guger, 24 mars 2022, disponible ici. physique de la nature.
DOI : 10.1038/s41567-022-01544-9