Technique améliorée par l'IA assemble des réseaux sans défauts avec des milliers d'atomes

25 août 2025                             fonction

par Ingrid Fadelli, Phys.org

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édité par                             Gaby Clark,                                                    révisé par Robert Egan

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La simulation des systèmes quantiques et le développement de systèmes capables d'effectuer des calculs exploitant des effets de mécanique quantique reposent sur la capacité à agencer les atomes dans des motifs spécifiques avec un haut niveau de précision. Pour disposer les atomes dans des motifs ordonnés appelés réseaux, les physiciens utilisent généralement des pinces optiques, des faisceaux laser très focalisés capables de piéger des particules.

Des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Chine et du Laboratoire d'intelligence artificielle de Shanghai ont récemment introduit un nouveau protocole basé sur l'intelligence artificielle qui pourrait faciliter l'agencement de milliers d'atomes en réseaux, tout en veillant à ce que ces réseaux soient exempts de défauts (c'est-à-dire qu'il n'y ait pas d'atomes manquants).

Leur approche proposée, introduite dans un article publié dans Physical Review Letters, corrige rapidement les réseaux en temps réel à l'aide d'hologrammes (c'est-à-dire des hologrammes de lumière générés par ordinateur) projetés via un dispositif appelé modulateur spatial, ainsi que d'algorithmes d'intelligence artificielle capables de planifier le décalage simultané de tous les atomes piégés vers des positions souhaitées.

'Notre intérêt initial pour les réseaux d'atomes neutres a en réalité commencé par l'intérêt fondamental pour le débat du siècle entre Einstein et Bohr sur l'expérience de la fente de recul', a déclaré M. Chao-Yang Lu, co-auteur principal de l'article, à Phys.org. 'Notre quête consistant à réaliser fidèlement l'expérience de pensée d'Einstein en utilisant un seul atome piégé par pince optique refroidi à l'état fondamental dans trois dimensions en tant que fente de recul à limite quantique a commencé il y a environ cinq ans. Parallèlement, nous avons également reconnu le formidable potentiel des réseaux d'atomes en tant que plate-forme propre et élégante pour l'informatique quantique.'

L'objectif de cette récente étude était de combiner les techniques d'intelligence artificielle avec la physique quantique pour résoudre un défi bien documenté rencontré lors de l'assemblage de réseaux d'atomes. L'un des principaux enquêteurs était le Dr Han-Sen Zhong, un ancien étudiant de Lu qui a obtenu son doctorat à l'Université des sciences et technologies de Chine et a commencé à travailler au Laboratoire d'IA de Shanghai.

'Nous reconnaissons que l'IA pour la science émerge comme un puissant paradigme pour aborder les problèmes scientifiques complexes, et nous avons des discussions en cours à ce sujet avec Han-Sen', a déclaré Lu. 'Cela nous a amenés à utiliser l'IA pour résoudre l'un des défis de longue date dans le domaine des réseaux d'atomes : comment réorganiser des réseaux d'atomes à grande échelle de manière efficace, rapide et évolutive. Il s'agit d'un très bel exemple d'« IA4Q » (IA pour le quantique).'

Zhong, qui était étudiant dans le groupe de recherche de Lu au moment de l'étude, a conçu un cadre piloté par l'IA qui peut planifier le décalage simultané de tous les atomes dans un réseau de pinces optiques. Dans les expériences de l'équipe, le réseau de pinces optiques a été généré en utilisant un modulateur spatial de lumière à haute vitesse (SLM), un dispositif capable d'imprimer un hologramme sur le faisceau laser incident.

'Nous utilisons le modèle d'IA pour calculer les hologrammes pour le réarrangement en temps réel des atomes', a expliqué Zhong. 'Avec un contrôle précis à la fois sur la position et la phase du réseau de pinces, tous les atomes sont déplacés simultanément. Expérimentalement, nous avons démontré l'assemblage de réseaux d'atomes 2D et 3D sans défauts avec jusqu'à 2024 atomes en seulement 60 millisecondes. Notamment, le coût en temps reste constant quelle que soit la taille du réseau, rendant la méthode facilement évolutive à 10 000 ou même 100 000 atomes à l'avenir.'

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La méthode proposée par les chercheurs analyse les réseaux d'atomes chargés de manière aléatoire et calcule le chemin optimal à partir des atomes chargés dans des pinces optiques vers des sites cibles où des atomes manquent. Ce chemin est ensuite divisé en un ensemble d'étapes sous-jacentes.

'Le chemin entier est divisé en N étapes et pour chaque petite étape, nous utilisons un modèle d'IA pour calculer l'hologramme pour le SLM, avec un contrôle précis à la fois sur la position et la phase du réseau de pinces', a déclaré Zhong. 'En temps réel, tous les atomes sont déplacés simultanément. Notre méthode atteint un haut niveau de parallélisme et donc une performance rapide et en temps constant.'

Une caractéristique distinctive de l'approche de l'équipe pour l'assemblage de réseaux d'atomes neutres sans défaut est qu'elle permet le déplacement parallèle de tous les atomes pour produire des réseaux sans défaut. Cela contraste avec les méthodes précédemment introduites, qui déplacent plutôt les atomes en séquences.

"Nous avons réalisé un réarrangement rapide et constant, indépendamment de la taille du réseau", a déclaré Lu.

Cette étude pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour la réalisation de systèmes quantiques composés de réseaux d'atomes sans défaut. Ces systèmes pourraient à leur tour être utilisés pour effectuer de manière fiable des simulations ou des calculs quantiques.

"Notre prochain objectif sera de démontrer la correction d'erreurs quantiques et l'informatique quantique tolérante aux fautes basées sur les qubits atomiques", a ajouté le professeur Jian-Wei Pan, co-auteur principal de l'article.

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Plus d'informations: Rui Lin et al, Assemblage Parallèle de Milliers de Réseaux d'Atomes Neutres sans Défauts Activé par l'IA, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/2ym8-vs82. Sur arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2412.14647

Informations sur la revue: Physical Review Letters , arXiv

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