Nouvel algorithme d'ordinateur quantique déverrouille la puissance des interactions au niveau atomique.

Figure 1: Une illustration montrant les deux états d'un supraconducteur cuprate à haute température. Un nouveau protocole de construction de circuits quantiques pourrait aider pour les calculs sur des matériaux quantiques tels que les supraconducteurs. Crédit: Département de l'énergie des États-Unis

Un nouveau protocole pour les ordinateurs quantiques pourrait reproduire la dynamique complexe des matériaux quantiques.

Les chercheurs du RIKEN ont créé un algorithme quantique de calcul hybride qui peut calculer efficacement les interactions au niveau atomique dans les matériaux complexes. Cette innovation permet d'utiliser des ordinateurs quantiques plus petits ou traditionnels pour étudier la physique de la matière condensée et la chimie quantique, ouvrant la voie à de nouvelles découvertes dans ces domaines.

Les chercheurs du RIKEN ont développé un algorithme de calcul quantique qui pourrait être utilisé pour calculer efficacement et avec précision les interactions au niveau atomique dans les matériaux complexes. Il a le potentiel d'apporter un niveau de compréhension sans précédent à la physique de la matière condensée et à la chimie quantique - une application des ordinateurs quantiques proposée pour la première fois par le brillant physicien Richard Feynman en 1981.

Les ordinateurs quantiques offrent la promesse d'une puissance de calcul améliorée et de la capacité à résoudre des problèmes hors de portée des ordinateurs conventionnels.

Kaoru Mizuta et ses collègues ont démontré une méthode pour mettre en œuvre des opérateurs d'évolution temporelle sur des ordinateurs quantiques de taille limitée. Crédit: Centre de calcul quantique RIKEN 2023

Les qubits, les blocs de construction des ordinateurs quantiques, sont essentiellement de petits systèmes - des nanocristaux ou des circuits supraconducteurs, par exemple - régis par les lois de la physique quantique. Contrairement aux bits utilisés dans les ordinateurs conventionnels, qui peuvent être soit un soit zéro, les qubits peuvent avoir plusieurs valeurs simultanément. C'est cette propriété des qubits qui donne aux ordinateurs quantiques leur avantage en termes de vitesse.

Une façon non conventionnelle de calcul nécessite également un nouveau point de vue sur la façon de traiter efficacement les données afin de résoudre des problèmes trop difficiles pour les ordinateurs conventionnels.

Un exemple notable de ceci est l'opérateur d'évolution temporelle. "Les opérateurs d'évolution temporelle sont de vastes grilles de nombres qui décrivent les comportements complexes des matériaux quantiques", explique Kaoru Mizuta du centre de calcul quantique RIKEN. "Ils sont d'une grande importance car ils donnent aux ordinateurs quantiques une application très pratique - une meilleure compréhension de la chimie quantique et de la physique des solides."

Les ordinateurs quantiques de prototype qui ont été démontrés à ce jour ont atteint des opérateurs d'évolution temporelle en utilisant une technique relativement simple appelée trotterisation. Mais on pense que la trotterisation n'est pas adaptée aux ordinateurs quantiques du futur car elle nécessite un grand nombre de portes quantiques et donc beaucoup de temps de calcul. En conséquence, les chercheurs se sont efforcés de créer des algorithmes quantiques pour des simulations quantiques précises qui utilisent moins de portes quantiques.

Maintenant, Mizuta, travaillant avec des collègues de toute le Japon, a proposé un algorithme beaucoup plus efficace et pratique. Un hybride de méthodes quantiques et classiques, il peut compiler des opérateurs d'évolution temporelle à un coût de calcul inférieur, ce qui permet de l'exécuter sur de petits ordinateurs quantiques, voire conventionnels.

"Nous avons établi un nouveau protocole de construction de circuits quantiques qui reproduit efficacement et avec précision les opérateurs d'évolution temporelle sur des ordinateurs quantiques", explique Mizuta. "En combinant de petits algorithmes quantiques avec les lois fondamentales de la dynamique quantique, notre protocole réussit à concevoir des circuits quantiques pour reproduire des matériaux quantiques à grande échelle, mais avec des ordinateurs quantiques plus simples."

Mizuta et son équipe ont l'intention de clarifier la façon dont les opérateurs d'évolution temporelle optimisés par leur méthode peuvent être appliqués à divers algorithmes quantiques qui peuvent calculer les propriétés des matériaux quantiques. "Nous prévoyons que ce travail démontrera le potentiel d'utiliser de petits ordinateurs quantiques pour étudier la physique et la chimie."

Référence: "Local Variational Quantum Compilation of Large-Scale Hamiltonian Dynamics" de Kaoru Mizuta, Yuya O. Nakagawa, Kosuke Mitarai et Keisuke Fujii, 5 octobre 2022, PRX Quantum. DOI: 10.1103/PRXQuantum.3.040302