Les ordinateurs quantiques ont le potentiel d’émuler des matériaux complexes, ce qui pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre les propriétés physiques issues des interactions entre atomes et électrons. Cela pourrait éventuellement mener à la découverte ou à la conception de meilleurs semi-conducteurs, isolants ou supraconducteurs, utilisés pour fabriquer des appareils électroniques plus rapides, puissants et économes en énergie.
Cependant, certains phénomènes dans les matériaux sont difficiles à reproduire avec des ordinateurs quantiques, créant des lacunes dans les problèmes que les scientifiques peuvent explorer avec cette technologie.
Pour combler l’une de ces lacunes, des chercheurs du MIT ont mis au point une technique pour générer des champs électromagnétiques synthétiques sur des processeurs quantiques supraconducteurs. L’équipe a démontré cette technique sur un processeur comportant 16 qubits.
En contrôlant dynamiquement la manière dont les 16 qubits de leur processeur sont couplés, les chercheurs ont pu imiter le mouvement des électrons entre les atomes en présence d’un champ électromagnétique. De plus, le champ électromagnétique synthétique est largement ajustable, permettant aux scientifiques d’explorer diverses propriétés des matériaux.
L’émulation des champs électromagnétiques est essentielle pour explorer pleinement les propriétés des matériaux. À l’avenir, cette technique pourrait éclairer des caractéristiques clés des systèmes électroniques, telles que la conductivité, la polarisation et la magnétisation.
« Les ordinateurs quantiques sont des outils puissants pour étudier la physique des matériaux et d’autres systèmes de mécanique quantique. Notre travail nous permet de simuler bien davantage la riche physique qui a captivé les scientifiques des matériaux », déclare Ilan Rosen, postdoctorant au MIT et auteur principal d’un article sur le simulateur quantique.
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 d’ingénierie des systèmes quantiques et directeur associé du Laboratoire de recherche en électronique. Oliver et Rosen sont rejoints par d’autres dans les départements de génie électrique, d’informatique et de physique et au laboratoire Lincoln du MIT. La recherche apparaît aujourd’hui dans Physique naturelle.
Un émulateur quantique
Des entreprises comme IBM et Google s’efforcent de créer des solutions numériques à grande échelle. ordinateurs quantiques qui promettent de surpasser leurs homologues classiques en exécutant certains algorithmes beaucoup plus rapidement.
Mais ce n’est pas tout ce que les ordinateurs quantiques peuvent faire. La dynamique des qubits et leurs couplages peuvent également être soigneusement construits pour imiter le comportement des électrons lorsqu’ils se déplacent parmi les atomes des solides.
« Cela conduit à une application évidente, qui consiste à utiliser ces ordinateurs quantiques supraconducteurs comme émulateurs de matériaux », explique Jeffrey Grover, chercheur scientifique au MIT et co-auteur de l’article.
Plutôt que d’essayer de construire des ordinateurs quantiques numériques à grande échelle pour résoudre des problèmes extrêmement complexes, les chercheurs peuvent utiliser les qubits d’ordinateurs quantiques à plus petite échelle comme dispositifs analogiques pour reproduire un système matériel dans un environnement contrôlé.
« Les simulateurs quantiques numériques à usage général sont extrêmement prometteurs, mais ils sont encore loin d’être disponibles. L’émulation analogique est une autre approche qui pourrait donner des résultats utiles à court terme, notamment pour l’étude des matériaux. Il s’agit d’une application simple et puissante du matériel quantique », explique Rosen. « En utilisant un émulateur quantique analogique, je peux intentionnellement définir un point de départ, puis observer ce qui se déroule en fonction du temps. »
Malgré leur grande similitude avec les matériaux, ils contiennent quelques ingrédients importants qui ne peuvent pas être facilement reflétés sur le matériel informatique quantique. L’un de ces ingrédients est un champ magnétique.
Dans les matériaux, les électrons « vivent » dans les orbitales atomiques. Lorsque deux atomes sont proches l’un de l’autre, leurs orbitales se chevauchent et les électrons peuvent « sauter » d’un atome à l’autre. En présence d’un champ magnétique, ce comportement de saut devient plus complexe.
Sur un ordinateur quantique supraconducteur, les photons micro-ondes sautant entre les qubits sont utilisés pour imiter les électrons sautant entre les atomes. Mais comme les photons ne sont pas des particules chargées comme les électrons, le comportement de saut des photons resterait le même dans un champ magnétique physique.
Comme ils ne peuvent pas simplement activer un champ magnétique dans leur simulateur, l’équipe du MIT a utilisé quelques astuces pour en synthétiser les effets.
Mise au point du processeur
Les chercheurs ont ajusté la façon dont les qubits adjacents du processeur étaient couplés les uns aux autres pour créer le même comportement de saut complexe que celui provoqué par les champs électromagnétiques chez les électrons.
Pour ce faire, ils ont légèrement modifié l’énergie de chaque qubit en appliquant différents signaux micro-ondes. Habituellement, les chercheurs règlent les qubits sur la même énergie afin que les photons puissent passer de l’un à l’autre. Mais pour cette technique, ils ont fait varier dynamiquement l’énergie de chaque qubit pour modifier la façon dont ils communiquent entre eux.
En modulant précisément ces niveaux d’énergie, les chercheurs ont permis aux photons de sauter entre les qubits de la même manière complexe que les électrons sautent entre les atomes dans un champ magnétique.
De plus, comme ils peuvent affiner les signaux micro-ondes, ils peuvent émuler une gamme de champs électromagnétiques avec différentes intensités et distributions.
Les chercheurs ont entrepris plusieurs séries d’expériences pour déterminer quelle énergie définir pour chaque qubit, avec quelle force les moduler et la fréquence micro-onde à utiliser.
« La partie la plus difficile a été de trouver les paramètres de modulation pour chaque qubit afin que les 16 qubits fonctionnent en même temps », explique Rosen.
Une fois arrivés aux bons réglages, ils ont confirmé que la dynamique des photons respecte plusieurs équations qui constituent le fondement de l’électromagnétisme. Ils ont également démontré « l’effet Hall », un phénomène de conduction qui existe en présence d’un champ électromagnétique.
Ces résultats montrent que leur champ électromagnétique synthétique se comporte comme la réalité.
À l’avenir, ils pourraient utiliser cette technique pour étudier avec précision des phénomènes complexes en physique de la matière condensée, tels que les transitions de phase qui se produisent lorsqu’un matériau passe de conducteur à isolant.
« Une fonctionnalité intéressante de notre émulateur est qu’il nous suffit de modifier l’amplitude ou la fréquence de modulation pour imiter un système matériel différent. De cette façon, nous pouvons analyser de nombreuses propriétés de matériaux ou paramètres de modèle sans avoir à fabriquer physiquement un nouveau dispositif à chaque fois. dit Olivier.
Bien que ces travaux constituent une première démonstration d’un champ électromagnétique synthétique, ils ouvrent la porte à de nombreuses découvertes potentielles, explique Rosen.
« La beauté des ordinateurs quantiques est que nous pouvons observer exactement ce qui se passe à chaque instant sur chaque qubit, nous avons donc toutes ces informations à notre disposition. Nous sommes dans une situation très excitante pour l’avenir », ajoute-t-il.
Ce travail est soutenu en partie par le Département américain de l’Énergie, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) des États-Unis, le Bureau de recherche de l’armée américaine, l’Institut d’Oak Ridge pour la science et l’éducation, le Bureau du directeur du renseignement national, NASA et National Science Foundation.
