En 2016, Immanuel Bloch du Max-Planck-Institut für Quantenoptik en Allemagne, et son équipe, ont fourni le premier exemple qui "met en évidence la puissance des simulations quantiques" pour répondre à une question scientifique. Ils ont pu observer une transition de phase dans une gamme de paramètres inaccessibles aux ordinateurs classiques de pointe. Leur dispositif expérimental était basé sur le contrôle d'atomes individuels à l'aide de lasers.
Plus tard, en juin 2021, Antoine Browaeys, Thierry Lahaye de l'Université Paris-Saclay, Institut d'Optique Graduate School en France, et des collaborateurs ont simulé le magnétisme dans la matière au niveau fondamental en utilisant un processeur quantique programmable à atomes neutres. Ils ont utilisé avec succès 196 qubits pour recréer le modèle d'Ising. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Nature.
Pour l'instant, avec cette expérience, Browaeys et son équipe ont démontré la capacité de leur dispositif quantique - le même type de dispositif développé à l'adresse PASQAL- à surpasser les superordinateurs pour résoudre des problèmes scientifiques avant l'ère de la tolérance aux pannes.
Depuis les travaux de l'équipe de Bloch en 2016, des chercheurs de nombreuses institutions académiques et entreprises, dont l'équipe de Browaeys et PASQAL , ont montré que le contrôle individuel d'atomes neutres est la configuration expérimentale naturelle pour simuler différents types d'interactions au niveau atomique, surpassant la capacité des ordinateurs classiques. Ces équipes ont démontré à plusieurs reprises (voir, par exemple, ici, ici et ici) que cette plateforme est prête à répondre aux questions ouvertes de la science.
Comment fonctionnent les processeurs quantiques à atomes neutres et quelles sont les raisons de leurs progrès remarquables ?
Atomes neutres : l'outil quantique idéal pour aborder la physique des corps multiples
Dans les dispositifs quantiques à atomes neutres, une sorte de vapeur d'atomes - typiquement du rubidium ou du strontium - est créée à l'intérieur d'une chambre à vide. Ensuite, les scientifiques utilisent des lasers très focalisés, appelés pinces optiques, pour piéger et manipuler individuellement ces atomes en suspension et créer avec eux des formes arbitraires en 1D, 2D et 3D. Dans ces architectures, l'information est codée en manipulant les états électroniques des atomes pour créer des qubits, les unités d'information quantique. Chaque qubit est représenté par un état énergétique à deux niveaux dans un atome, généralement un état fondamental et un état de Rydberg. Dans l'état de Rydberg, les atomes sont polarisés, ce qui facilite les interactions de van der Waals et l'intrication. PASQAL L'architecture actuelle utilise des atomes de rubidium comme qubits, un élément alcalin facile à extraire qui bénéficie d'une technologie laser bien établie, notamment pour amener ses électrons à une variété de niveaux d'énergie, y compris des états de Rydberg très élevés.
La possibilité de contrôler les atomes individuellement et de les disposer dans des configurations arbitraires est une caractéristique remarquable des processeurs quantiques à atomes neutres. Cela signifie que dans ces configurations, les atomes neutres peuvent être préparés pour simuler des ensembles d'atomes, de molécules et de tout autre objet interagissant et présentant des propriétés quantiques. L'étude de ces systèmes est appelée physique des corps multiples.
Par exemple, dans les dispositifs à atomes neutres, les qubits peuvent être disposés de manière à représenter les atomes d'une macromolécule vivante ou d'un réseau d'atomes dans un minéral, et les interactions entre ces atomes dans une macromolécule ou un réseau peuvent être émulées par les interactions de van der Waals des atomes de Rydberg.
Mais ce qui rend les calculs quantiques avec des atomes neutres fiables dans des régimes au-delà de ce que nous pouvons calculer classiquement, c'est sa capacité à adopter le mode analogique. Bien que l'approche numérique - celle utilisée dans les architectures supraconductrices - se soit révélée universelle dans les ordinateurs classiques, le mode analogique quantique est sujet à moins d'erreurs, ce qui est crucial pour obtenir un avantage quantique à court terme tout en continuant à travailler avec des qubits bruyants.
Analogique ou numérique
Les atomes neutres se distinguent par leur capacité à fonctionner à la fois en mode analogique et en mode numérique. Dans l'informatique quantique numérique, l'ordinateur exécute des algorithmes en mettant en œuvre des séquences d'opérations discrètes, communément appelées portes quantiques. Dans le cas analogique, l'utilisateur contrôle quelques paramètres et l'ordinateur quantique évolue continuellement vers une réponse. Le mode analogique peut réaliser en une seule étape de calcul ce qui nécessiterait des milliers d'étapes pour le mode numérique.
En outre, bien que l'informatique numérique soit universelle, le risque d'erreurs augmente pour chaque porte créée. En effet, les portes individuelles sont bruyantes et les erreurs se cumulent. Ainsi, même les grands ordinateurs quantiques numériques (à plusieurs qubits) ont des capacités très limitées. En revanche, le mode analogique est moins sensible au bruit.
Immanuel Bloch, Mattias Troyer et leur équipe ont, l'année dernière, analysé la propagation des erreurs pour les simulateurs quantiques analogiques et numériques, ont analysé la propagation des erreurs pour les simulateurs quantiques analogiques et numériques dans des problèmes d'intérêt pour les sciences des matériaux. Ils ont identifié les conditions requises pour que les simulations quantiques soient fiables dans des régimes allant au-delà de ce qui peut être calculé classiquement avec les méthodes existantes.
Par exemple, ils ont calculé qu'un ordinateur quantique numérique nécessiterait des centaines de milliers de portes pour atteindre la même erreur que celle obtenue pour une simulation analogique exécutant un modèle Ising pour 100 aimants. Ils ont conclu que "les simulateurs analogiques sont le meilleur moyen d'effectuer des calculs avec précision et de confirmer que les expériences existantes satisfont déjà aux exigences de l'avantage quantique".
L'avenir des dispositifs quantiques
Grâce à la polyvalence des plateformes d'atomes neutres, différents groupes de scientifiques ont démontré que l'informatique quantique est prête à répondre à des questions scientifiques, non seulement pour simuler la physique des corps multiples, mais aussi pour découvrir de nouveaux phénomènes dans les sciences des matériaux, par exemple en observant de nouvelles caractéristiques dans les transitions de phase.
L'un des avantages des supraconducteurs par rapport aux atomes neutres est que les portes numériques offrent plus de souplesse pour inclure différents types d'interactions dans le modèle, alors qu'avec des atomes contrôlés individuellement, on ne peut utiliser qu'un seul type d'interactions de van der Waals.
Malgré cette limitation, les dispositifs analogiques à atomes neutres peuvent être utilisés avantageusement en dehors du champ de la physique. Par exemple, les chercheurs de PASQAL ont réussi à mettre en œuvre des algorithmes basés sur des graphes, ce qui leur a permis de résoudre des problèmes dans les domaines suivants finance et les soins de santé.
Les progrès réalisés par Immanuel Bloch et son équipe il y a 7 ans, Antoine Browaeys et son équipe il y a 2 ans (avec 196qubits), PASQAL, et il y a quelques mois par IBM (avec 127 qubits), montrent que la course à la démonstration d'un avantage quantique pertinent pour l'industrie avec des ordinateurs quantiques à court terme entre dans sa phase finale. Plusieurs approches sont en concurrence pour atteindre cette étape en premier, notamment les ordinateurs quantiques à base d'atomes neutres, l'une des technologies les plus prometteuses pour obtenir un avantage quantique précoce, comme le montre cet article paru dans Nature.
Les ressources informatiques classiques progressent constamment et ces progrès peuvent permettre à de meilleures simulations de rattraper les expériences quantiques. D'autre part, les dispositifs quantiques peuvent être perfectionnés et aller au-delà de ce que les ordinateurs classiques peuvent faire. Ce va-et-vient est bénéfique pour le bon développement des technologies quantiques.
Références
- Scholl, P., Schuler, M., Williams, H. J., Eberharter, A. A.,Barredo, D., Schymik, K., Lienhard, V., Henry, L., Lang, T., Lahaye, T.,Läuchli, A. M., & Browaeys, A. (2021). Simulation quantique de 2Dantiferromagnets avec des centaines d'atomes de Rydberg. Nature, 595(7866), 233-238. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03585-1
- Choi, J., Hild, S., Zeiher, J., Schauss, P., Rubio-Abadal, A.,Yefsah, T., Khemani, V., Huse, D. A., Bloch, I., & Gross, C. E. (2016).Exploring the many-body localization transition in two dimensions. Science,352(6293), 1547-1552. https://doi.org/10.1126/science.aaf8834
- Browaeys, A., & Lahaye, T. (2020).Many-body physics with individually controlled Rydberg atoms. Nature Physics,16(2), 132-142. https://doi.org/10.1038/s41567-019-0733-z
- Flannigan, S., Pearson, N., Low, G. H., Buyskikh, A., Bloch, I., Zoller, P., Troyer, M., & Daley, A. J. (2022).Propagation des erreurs et simulation quantique quantitative avec avantage quantique. Quantum Science and Technology, 7(4), 045025. https://doi.org/10.1088/2058-9565/ac88f5
Souhaitez-vous en savoir plus sur ces techniques sur un ordinateur quantique à atomes neutres ? Familiarisez-vous avec l'informatique quantique, notre plateforme et nos algorithmes avec Quantum Discovery.
