L’intrication est une forme de corrélation entre des objets quantiques, tels que des particules à l’échelle atomique. Ce phénomène proprement quantique ne peut être expliqué par les lois de la physique classique, mais c’est l’une des propriétés qui expliquent le comportement macroscopique des systèmes quantiques.
L’intrication étant au cœur du fonctionnement des systèmes quantiques, une meilleure compréhension pourrait donner aux scientifiques une idée plus approfondie de la façon dont les informations sont stockées et traitées efficacement dans de tels systèmes.
Les qubits, ou bits quantiques, sont les éléments constitutifs d’un ordinateur quantique. Cependant, il est extrêmement difficile de créer des états intriqués spécifiques dans des systèmes à plusieurs qubits, et encore moins de les étudier. Il existe également une variété d’états intriqués, et il peut être difficile de les distinguer.
Aujourd’hui, les chercheurs du MIT ont démontré une technique permettant de générer efficacement une intrication parmi un ensemble de qubits supraconducteurs présentant un type de comportement spécifique.
Au cours des dernières années, les chercheurs de l’Ingénierie Quantum Systems (EQuS) ont développé des techniques utilisant la technologie micro-ondes pour contrôler avec précision un processeur quantique composé de circuits supraconducteurs. En plus de ces techniques de contrôle, les méthodes présentées dans ce travail permettent au processeur de générer efficacement des états hautement intriqués et de faire passer ces états d’un type d’intrication à un autre, y compris entre les types les plus susceptibles de prendre en charge l’accélération quantique et ceux qui le sont. ne sont pas.
« Ici, nous démontrons que nous pouvons utiliser les processeurs quantiques émergents comme outil pour approfondir notre compréhension de la physique. Même si tout ce que nous avons fait dans cette expérience était à une échelle qui peut encore être simulée sur un ordinateur classique, nous disposons d’une bonne feuille de route pour faire évoluer cette technologie et cette méthodologie au-delà de la portée de l’informatique classique », déclare Amir H. Karamlou ’18, MEng’. 18, PhD ’23, l’auteur principal de l’article.
L’auteur principal est William D. Oliver, professeur Henry Ellis Warren de génie électrique, d’informatique et de physique, directeur du Centre d’ingénierie quantique, chef du groupe EQuS et directeur associé du Laboratoire de recherche en électronique. Karamlou et Oliver sont rejoints par le chercheur Jeff Grover, le postdoctorant Ilan Rosen et d’autres dans les départements de génie électrique, d’informatique et de physique du MIT, du MIT Lincoln Laboratory, du Wellesley College et de l’Université du Maryland. Le des recherches paraissent aujourd’hui dans Nature.
Évaluation de l’enchevêtrement
Dans un grand système quantique comprenant de nombreux qubits interconnectés, on peut considérer l’intrication comme la quantité d’informations quantiques partagées entre un sous-système donné de qubits et le reste du système plus vaste.
L’intrication au sein d’un système quantique peut être classée en loi de zone ou en loi de volume, en fonction de la façon dont ces informations partagées évoluent avec la géométrie des sous-systèmes. Dans l’intrication selon la loi du volume, la quantité d’intrication entre un sous-système de qubits et le reste du système augmente proportionnellement à la taille totale du sous-système.
D’un autre côté, l’intrication des lois de zone dépend du nombre de connexions partagées existant entre un sous-système de qubits et le système plus vaste. À mesure que le sous-système se développe, le degré d’intrication ne fait qu’augmenter le long de la frontière entre le sous-système et le système plus vaste.
En théorie, la formation de l’intrication selon la loi des volumes est liée à ce qui rend l’informatique quantique si puissante.
« Bien que nous n’ayons pas encore complètement compris le rôle que joue l’intrication dans les algorithmes quantiques, nous savons que la génération d’une intrication selon la loi du volume est un ingrédient clé pour obtenir un avantage quantique », explique Oliver.
Cependant, l’intrication selon la loi du volume est également plus complexe que l’intrication selon la loi de l’aire et pratiquement prohibitive à grande échelle pour être simulée à l’aide d’un ordinateur classique.
« À mesure que la complexité de votre système quantique augmente, il devient de plus en plus difficile de le simuler avec des ordinateurs conventionnels. Si j’essaie de suivre complètement un système doté de 80 qubits, par exemple, j’aurais alors besoin de stocker plus d’informations que ce que nous avons stocké tout au long de l’histoire de l’humanité », explique Karamlou.
Les chercheurs ont créé un processeur quantique et un protocole de contrôle qui leur permettent de générer et de sonder efficacement les deux types d’intrication.
Leur processeur comprend des circuits supraconducteurs utilisés pour concevoir des atomes artificiels. Les atomes artificiels sont utilisés comme qubits, qui peuvent être contrôlés et lus avec une grande précision à l’aide de signaux micro-ondes.
Le dispositif utilisé pour cette expérience contenait 16 qubits, disposés dans une grille bidimensionnelle. Les chercheurs ont soigneusement réglé le processeur afin que les 16 qubits aient la même fréquence de transition. Ensuite, ils ont appliqué simultanément un lecteur micro-ondes supplémentaire à tous les qubits.
Si ce moteur micro-ondes a la même fréquence que les qubits, il génère des états quantiques qui présentent une intrication selon la loi du volume. Cependant, à mesure que la fréquence micro-onde augmente ou diminue, les qubits présentent moins d’intrication selon la loi du volume, pour finalement passer à des états intriqués qui suivent de plus en plus une mise à l’échelle selon la loi de l’aire.
Contrôle minutieux
« Notre expérience est un tour de force des capacités des processeurs quantiques supraconducteurs. Dans une expérience, nous avons utilisé le processeur à la fois comme un dispositif de simulation analogique, nous permettant de préparer efficacement des états avec différentes structures d’intrication, et comme un dispositif informatique numérique, nécessaire pour mesurer la mise à l’échelle de l’intrication qui en résulte », explique Rosen.
Pour permettre ce contrôle, l’équipe a consacré des années de travail à la construction minutieuse de l’infrastructure autour du processeur quantique.
En démontrant le passage de l’intrication selon la loi du volume à la loi de l’aire, les chercheurs ont confirmé expérimentalement ce que les études théoriques avaient prédit. Plus important encore, cette méthode peut être utilisée pour déterminer si l’intrication dans un processeur quantique générique est une loi de surface ou une loi de volume.
« L’expérience du MIT souligne la distinction entre l’intrication en loi de surface et en loi de volume dans les simulations quantiques bidimensionnelles utilisant des qubits supraconducteurs. Cela complète magnifiquement nos travaux sur la tomographie hamiltonienne par intrication avec des ions piégés dans un publication parallèle Publié dans Nature en 2023», déclare Peter Zoller, professeur de physique théorique à l’Université d’Innsbruck, qui n’a pas participé à ces travaux.
« Quantifier l’intrication dans les grands systèmes quantiques est une tâche difficile pour les ordinateurs classiques, mais un bon exemple de l’utilité de la simulation quantique », explique Pedram Roushan de Google, qui n’a pas non plus participé à l’étude. « En utilisant un réseau 2D de qubits supraconducteurs, Karamlou et ses collègues ont pu mesurer l’entropie d’intrication de divers sous-systèmes de différentes tailles. Ils mesurent les contributions de la loi du volume et de la loi de l’aire à l’entropie, révélant un comportement de croisement à mesure que l’énergie de l’état quantique du système est ajustée. Cela démontre avec force les connaissances uniques que les simulateurs quantiques peuvent offrir.
À l’avenir, les scientifiques pourraient utiliser cette technique pour étudier le comportement thermodynamique de systèmes quantiques complexes, trop complexe pour être étudié à l’aide des méthodes analytiques actuelles et pratiquement prohibitif pour être simulé, même sur les superordinateurs les plus puissants du monde.
« Les expériences que nous avons réalisées dans ce travail peuvent être utilisées pour caractériser ou comparer des systèmes quantiques à plus grande échelle, et nous pourrions également en apprendre davantage sur la nature de l’intrication dans ces systèmes à N corps », explique Karamlou.
Les autres co-auteurs de l’étude sont Sarah E. Muschinske, Cora N. Barrett, Agustin Di Paolo, Leon Ding, Patrick M. Harrington, Max Hays, Rabindra Das, David K. Kim, Bethany M. Niedzielski, Meghan Schuldt, Kyle Serniak, Mollie E. Schwartz, Jonilyn L. Yoder, Simon Gustavsson et Yariv Yanay.
Cette recherche est financée, en partie, par le Département américain de l’Énergie, la US Defense Advanced Research Projects Agency, le US Army Research Office, la National Science Foundation, le STC Center for Integrated Quantum Materials, le Wellesley College Samuel et Hilda Levitt Fellowship. , la NASA et l’Oak Ridge Institute for Science and Education.
