Simulation du magnétisme quantique avec un ordinateur quantique numérique

Les ordinateurs quantiques, qui traitent les informations en tirant parti des effets mécaniques quantiques, ont le potentiel de surpasser les ordinateurs classiques dans certaines tâches d’optimisation et de calcul. De plus, ils pourraient être utilisés pour simuler des systèmes quantiques complexes qui ne peuvent pas être simulés à l’aide d’ordinateurs classiques.

Des chercheurs de Quannuum et d’autres instituts en Europe et aux États-Unis ont récemment décidé de simuler la dynamique numérisée du modèle quantique, un cadre qui décrit le magnétisme quantique dans les matériaux, en utilisant un ordinateur quantique avancé.

Leurs simulations, décrites dans un article sur le arxiv Un serveur préimprimé, a conduit à l’observation d’un état transitoire connu sous le nom de préthermisation Floquet, dans lequel les systèmes apparaissent localement stables avant d’approcher l’équilibre complet, dans des régimes inaccessibles aux ordinateurs classiques.

“La simulation de l’évolution du temps continu sur les ordinateurs quantiques numériques a été un objectif de longue date dans le domaine du calcul quantique, donc nous ne sommes certainement pas les premières ou seules personnes qui souhaitent le faire”, a déclaré à Phys.org Michael Foss-Feig, chercheur à Quannuum et auteur principal du journal.

“Cependant, l’atteindre à une échelle qui rivalise ou dépasse les meilleures méthodes classiques est beaucoup plus difficile que d’obtenir un avantage quantique dans des scénarios plus artificiels, tels que l’échantillonnage de circuit aléatoire, et n’avait pas encore été réalisé.”

L’année dernière, Foss-Feig et ses collègues de Quannuum ont utilisé avec succès un ordinateur quantique qu’ils ont développé pour effectuer des tâches d’échantillonnage de circuits aléatoires qui ne pouvaient pas être effectuées par des ordinateurs classiques, avec des fidélités sans précédent. Cette réalisation les a inspirés à explorer le potentiel des ordinateurs quantiques pour terminer un plus large éventail de problèmes.

“Ces premiers résultats, ainsi que des progrès dans nos fidélités de porte au cours de la dernière année, nous ont convaincus de commencer à réfléchir sérieusement à la question de savoir si la simulation quantique au-delà pourrait être à portée de main”, a expliqué Foss-Feig.

Dans le cadre de leur étude récente, les chercheurs ont utilisé H2, un ordinateur quantique développé au quannuum, pour simuler la dynamique du modèle quantique. Le modèle quantique est un modèle standard utilisé pour étudier le magnétisme, les transitions de phase quantique et la physique émergente dans des systèmes complexes.

“Dans les systèmes réels, le temps passe en douceur et la simulation de dynamiques réalistes sur un ordinateur quantique numérique nécessite de” discrétiser “cette évolution de temps douce dans l’ensemble des portes quantiques que l’on a disponible”, a déclaré Foss-Feig. «La discrétisation n’est jamais parfaite, mais nous l’avons assez bien fait pour observer de nombreuses caractéristiques caractéristiques des réels systèmes physiques.

“En particulier, la douceur du temps est finalement responsable de l’énergie conservée dans les systèmes réels, ce qui les fait se détendre naturellement à un état d’équilibre après avoir été poussés loin de l’équilibre.”

Les simulations gérées par Foss-Feig et ses collègues reproduisent numériquement la dynamique à temps continu, montrant ainsi comment les systèmes quantiques évoluent avec le temps. Dans leurs simulations, les chercheurs ont observé des signatures caractéristiques de ces systèmes lorsqu’ils approchent d’un état d’équilibre, comme l’émergence d’un transport d’énergie hydrodynamique.

“La réalisation la plus importante de ce travail est que nous avons pu maintenir cette évolution du temps continue relativement sans bruit (et donc précise) à des échelles de temps où même les meilleures méthodes de simulation classiques semblent vraiment lutter”, a déclaré Reza Haghshenas, chercheuse à Quantinuum menant les efforts de banc classique.

“Je dis« lutte »et non« échoué », parce que nous pensons qu’avec des ressources classiques substantielles (c’est-à-dire exécuter les meilleurs algorithmes classiques avec des ressources à l’échelle super-ordinateur), il pourrait bien être possible d’effectuer des simulations comparables de manière classique de manière classique.

Cette étude récente de Foss-Feig et ses collègues montre le potentiel des ordinateurs quantiques pour la simulation réaliste de systèmes quantiques complexes, qui sont difficiles ou impossibles à simuler à l’aide d’ordinateurs classiques. Les chercheurs travaillent désormais à faire avancer et à augmenter les ordinateurs quantiques, ce qui pourrait encore renforcer leur capacité à simuler des systèmes quantiques.

Leurs travaux récents montrent que les fidélités de porte actuelles de l’ordinateur quantique H2 sont déjà suffisamment élevées pour simuler les systèmes physiques dans des régimes difficiles à accéder à l’aide d’ordinateurs classiques. Les futurs ordinateurs quantiques basés sur un nombre encore plus élevé de qubits pourraient simuler des systèmes encore plus grands et plus complexes, ce qui pourrait à son tour améliorer la compréhension de leur physique sous-jacente.

“Des augmentations modérées des tailles de système (numéros de qubit) devraient permettre des simulations qui sont plus définitivement hors de portée des méthodes classiques actuelles, et nous sommes très impatients de publier notre prochain système, Helios, avec 96 qubits”, a ajouté Foss-Feig.

“Nous considérons cela comme un moment incroyablement excitant. De nombreuses technologies importantes sont émergées de notre capacité (limitée) à simuler classiquement les systèmes quantiques, et les progrès des méthodes de simulation peuvent avoir des impacts généraux: les ordinateurs quantiques peuvent bientôt être capables de valider et d’augmenter les simulations classiques dans les paramètres où les méthodes classiques sont irréalisables ou peu liées.”

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