Quand les particules quantiques volent comme des abeilles
Un simulateur quantique donne un aperçu de la dynamique des systèmes quantiques complexes
Un système quantique composé de seulement 51 atomes chargés peut prendre plus de deux quadrillions d'états différents. Calculer le comportement du système est un jeu d'enfant pour un simulateur quantique. Pourtant, même avec les superordinateurs d'aujourd'hui, il est presque impossible de vérifier le résultat. Une équipe de chercheurs de l'université d'Innsbruck et de l'université technique de Munich (TUM) vient de montrer comment ces systèmes peuvent être décrits à l'aide d'équations datant du 18e siècle.
Les "vols de Lévy" décrivent les propriétés statistiques des aimants quantiques élémentaires ainsi que celles des abeilles en quête de nourriture.
Christoph Hohmann (MCQST Cluster)
À première vue, un système composé de 51 ions peut sembler simple. Mais même si ces atomes chargés ne peuvent prendre que deux états différents, il y aura plus de deux quadrillions (1015) de configurations différentes que le système peut réaliser.
Le comportement d'un tel système peut donc difficilement être calculé avec des ordinateurs conventionnels. D'autant plus qu'une fois qu'une excitation a été introduite dans le système, elle peut se propager à pas de géant. Elle suit une statistique connue sous le nom de vol de Lévy.
Une caractéristique du mouvement d'une telle particule quantique est qu'en plus des petits sauts, des sauts nettement plus importants se produisent. Ce phénomène peut également être observé dans le vol des abeilles et dans les mouvements féroces inhabituels de la bourse.
Simulation de la dynamique quantique : Un problème classiquement difficile
Si la simulation de la dynamique d'un système quantique complexe est un problème très difficile, même pour les superordinateurs, la tâche est un jeu d'enfant pour les simulateurs quantiques. Mais comment vérifier les résultats d'un simulateur quantique quand on ne peut pas les recalculer ?
Les prédictions théoriques suggéraient qu'il serait possible de représenter au moins le comportement à long terme de tels systèmes avec des équations telles que celles développées par les frères Bernoulli au 18e siècle pour décrire le comportement des fluides.
Pour tester cette hypothèse, l'équipe de recherche a utilisé un système quantique qui simule la dynamique des aimants quantiques. Ils ont ainsi pu montrer qu'après un régime initial dans lequel les effets de la mécanique quantique dominent, le système peut être décrit par des équations connues de la dynamique des fluides.
En outre, ils ont montré que la même statistique de vol de Lévy qui décrit les stratégies de recherche des abeilles décrit également la dynamique des fluides dans ce système quantique.
Des ions piégés comme plate-forme pour des simulations contrôlées
Le simulateur quantique a été construit à l'Institut d'optique quantique et d'information quantique (IQOQI) de l'Académie autrichienne des sciences, sur le campus de l'université d'Innsbruck, en Autriche. "Notre système simule efficacement un aimant quantique en représentant les pôles nord et sud d'un aimant élémentaire par deux niveaux d'énergie des ions", explique Manoj Joshi, scientifique à l'IQOQI d'Innsbruck.
"Notre plus grande avancée technique est que nous avons réussi à contrôler chacun des 51 ions individuellement", observe Manoj Joshi. "Par conséquent, nous avons pu étudier la dynamique de différents états initiaux, ce qui était nécessaire pour démontrer l'émergence de la dynamique des fluides."
"Bien que le nombre de qubits et la stabilité des états quantiques soient actuellement encore très limités, il existe des problèmes pour lesquels nous pouvons dès à présent utiliser l'énorme puissance de calcul des simulateurs quantiques", déclare Michael Knap, professeur de dynamique quantique collective à l'Université technique de Munich.
"À court terme, les simulateurs quantiques et les ordinateurs quantiques seront des plateformes idéales pour explorer la dynamique des systèmes quantiques complexes", explique Michael Knap. "Nous savons maintenant qu'après un certain temps, ces systèmes suivent les lois de la dynamique classique des fluides. Toute forte déviation par rapport à cela indique que le simulateur ne fonctionne pas correctement."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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