novembre 29, 2022

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Des simulations par ordinateur quantique montrent les limites de la technologie actuelle

&balle; La physique 15, 175

Les circuits quantiques sont toujours incapables de surpasser les circuits conventionnels lors de la simulation de particules.

et Lucero / Google

être réaliste. Une puce Sycamore fabriquée par Google, composée de 53 bits quantiques, a été utilisée pour explorer « l’avantage quantique »: une performance en calcul quantique au-delà de tout ce qui est possible sur les ordinateurs classiques. Mais dans quelle mesure ce type d’appareil fonctionnera-t-il sur des problèmes courants importants dans le monde réel, tels que les simulations quantiques de particules et de matériaux ?être réaliste. Une puce Sycamore fabriquée par Google, composée de 53 bits quantiques, a été utilisée pour explorer « l’avantage quantique »: une performance en calcul quantique au-delà de tout ce qui est possible sur les ordinateurs classiques. Mais quelle est la qualité de ce type d’appareil… Montre plus

Les ordinateurs quantiques promettent des simulations directes de systèmes régis par des principes quantiques, tels que les particules ou la matière, car les qubits quantiques eux-mêmes sont des choses quantiques. Des expériences récentes ont démontré la puissance de ces appareils lors de l’exécution de tâches soigneusement sélectionnées. Mais une nouvelle étude montre que pour les problèmes du monde réel, comme le calcul des états énergétiques d’un groupe d’atomes, les simulations quantiques ne sont pas plus précises que celles des ordinateurs classiques. [1]. Les résultats fournissent une référence pour juger à quel point les ordinateurs quantiques sont proches de devenir des outils utiles pour les chimistes et les scientifiques des matériaux.

Richard Feynman a proposé l’idée d’ordinateurs quantiques en 1982, notant qu’ils pourraient être utilisés pour calculer les propriétés de la matière quantique. Aujourd’hui, les processeurs quantiques sont disponibles avec plusieurs centaines de bits quantiques (qubits), dont certains peuvent, en principe, représenter des états quantiques qu’il serait impossible d’encoder dans un dispositif classique. Le processeur Sycamore de 53 kilo-octets développé par Google a montré sa capacité à effectuer en quelques jours des calculs qui pourraient prendre des milliers d’années sur les ordinateurs classiques d’aujourd’hui [2]. Mais cet « avantage quantique » n’est atteint que pour certaines tâches de calcul qui jouent un rôle dans la puissance de ces appareils. Dans quelle mesure les ordinateurs quantiques relèvent-ils les types de défis quotidiens que les chercheurs qui étudient les molécules et les matériaux veulent réellement résoudre ?

Garnet Chan du California Institute of Technology et ses collègues ont tenté de répondre à cette question en exécutant des simulations d’une molécule et de la matière à l’aide d’un processeur Google de 53 kilobits appelé Weber, basé sur Sycamore. « Nous ne nous attendions pas à apprendre quoi que ce soit de nouveau sur le plan chimique, étant donné la complexité de ces systèmes et la qualité des algorithmes classiques », a déclaré Chan. « L’objectif était de comprendre dans quelle mesure les dispositifs Sycamore fonctionnent pour une classe de circuits qui sont physiquement pertinents pour une mesure de succès physiquement appropriée. »

L’équipe a choisi deux problèmes actuellement importants, sans aucune considération de leur pertinence pour le circuit quantique. La première consiste à calculer les états énergétiques d’un groupe de 8 atomes de fer (Fe) et de soufre (S) présents dans le noyau catalytique de l’enzyme nitrogénase. Cette enzyme rompt les liaisons fortes dans les molécules d’azote comme première étape d’un important processus biologique appelé fixation de l’azote. Comprendre la chimie de ce processus peut être utile dans le développement de catalyseurs synthétiques de fixation de l’azote pour l’industrie chimique.

noyau catalytique. Dans le site catalytique de l’enzyme azotée, responsable de l’extraction de l’azote de l’atmosphère (fixation de l’azote), il existe un groupe d’atomes de fer (rouge) et de soufre (jaune) qui catalysent le clivage des molécules d’azote. Les chercheurs aimeraient simuler ce processus sur un ordinateur quantique afin de développer des catalyseurs artificiels de fixation de l’azote.noyau catalytique. Dans le site catalytique de l’enzyme azotée, responsable de l’extraction de l’azote de l’atmosphère (fixation de l’azote), se trouve un groupe d’atomes de fer (rouge) et de soufre (jaune) qui catalysent le clivage des molécules d’azote… Montre plus

Deuxièmement, l’équipe a cherché à déduire le comportement collectif des ferromagnétiques dans le matériau cristallin α-trichlorure de ruthénium (

𝛼

-RuCl3), dont on pense qu’il adopte une phase quantique particulière appelée fluide de spin à des températures plus basses [3]. L’étude de tels états fait partie du projet plus vaste d’exploration des phénomènes quantiques dans les matériaux.

Les états électroniques fondamentaux et les excitations à basse énergie des deux systèmes sont déterminés par la façon dont les spins électroniques des atomes interagissent les uns avec les autres. Ces spins peuvent être codés en qubits uniques et leurs interactions simulées en couplant des qubits dans des circuits qui reflètent les structures des deux systèmes.

L’un des principaux obstacles à des simulations quantiques précises est le bruit – des erreurs aléatoires à la fois dans la commutation des « portes » qui effectuent des opérations de logique quantique et dans la lecture de leurs états de sortie. Ces erreurs s’accumulent et limitent le nombre d’opérations de porte que le calcul peut effectuer avant que le bruit ne domine. Les chercheurs ont découvert que les simulations de plus de 300 portes étaient éclipsées par le bruit. Mais plus le système est complexe, plus il faut de portes. Le groupe Fe-S, par exemple, contient des interactions à longue distance entre les cycles ; Pour être représentées avec précision, de telles interactions nécessitent de nombreuses portes.

En raison de ces défis, les simulations sur la puce Weber ont été quelque peu limitées. Par exemple, les simulations ont fourni des prédictions des spectres d’énergie du groupe Fe–S et de la capacité calorifique de

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-RuCl3 Raisonnablement bon – mais seulement si les systèmes simulés ne sont pas trop grands. pour

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-RuCl3 L’équipe n’a pu obtenir des résultats significatifs que pour un très petit morceau de 6 atomes du réseau cristallin; S’ils n’augmentaient la taille qu’à 10 atomes, le bruit submergeait la sortie. Et les limitations des opérations de porte signifient que seulement environ un cinquième des ressources quantiques de Weber peuvent être utilisées pour le calcul. Cependant, Chan et ses collègues pourraient augmenter cette utilisation de moitié des ressources lorsqu’ils sont passés à des simulations de systèmes modèles plus adaptées aux architectures de circuits Weber spécifiques.

Chan dit qu’il est difficile de voir les circuits quantiques faire mieux pour résoudre des problèmes comme celui-ci jusqu’à ce qu’il existe de meilleures façons de réduire le bruit ou de corriger les erreurs. (Les graphiques développés jusqu’à présent ne permettent pas une correction complète de l’erreur quantique.)

« Ces résultats sont à la pointe de la technologie et montrent les défis à relever en termes de performances des appareils à l’avenir », déclare Alán Aspuru-Guzik de l’Université de Toronto, spécialisé dans l’utilisation de l’informatique quantique. en chimie et matériaux. Mais les capacités n’ont cessé d’augmenter depuis les premiers ordinateurs quantiques des années 2000, comme en témoignent ces nouveaux travaux, dit-il. Peter Love, spécialiste de la simulation quantique à l’Université Tufts dans le Massachusetts, est optimiste quant aux résultats. « Ces découvertes sont excitantes et effrayantes à la fois », dit-il. « Par rapport à nos prévisions de 2005, c’est assez étonnant, mais cela montre aussi combien de travail nous avons encore. »

– Philippe Paul

Philip Ball est un rédacteur scientifique indépendant à Londres. Son dernier livre est mythes modernes (Presses de l’Université de Chicago, 2021).

références

  1. RN Tazhigulov et coll.Simulation de modèles de molécules et de matériaux interconnectés difficiles sur un processeur quantique Sycamore. PRX Quantique 3040318 (2022).
  2. F.Arot et coll.Suprématie quantique à l’aide d’un processeur supraconducteur programmable. tempérer la nature 574505 (2019).
  3. H.Li et coll.Anomalies de phonons géants dans le fluide de spin quantique proche de Kitaev
    𝛼

    donner un coup3

     » nat. commun. 1 23513 (2021).


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