Utilisation d’un ordinateur quantique pour simuler un processus quantique

L’écart entre les ordinateurs conventionnels et quantiques se réduit lorsqu’il s’agit de simuler le brouillage de l’information quantique.

Quatre chercheurs du RIKEN ont utilisé deux petits ordinateurs quantiques pour simuler le brouillage de l’information quantique, un processus important dans le domaine de l’information quantique. Cette réalisation illustre une application potentielle des futurs ordinateurs quantiques.

Encore à leurs balbutiements, les ordinateurs quantiques commencent tout juste à être utilisés pour des applications. Mais ils promettent de révolutionner l’informatique lorsqu’ils seront arrivés à maturité technologique.

Une application possible des ordinateurs quantiques est la simulation du brouillage de l’information quantique, un phénomène clé qui implique la propagation de l’information dans les systèmes quantiques, des métaux étranges aux trous noirs.

Après avoir codé l’information dans une partie d’un système quantique, celle-ci se dilue au fil du temps à travers divers processus. Elle finit par se propager dans tout le système.

L’information d’origine n’est pas perdue, mais elle est beaucoup plus difficile à reconstruire, car il faut avoir accès à l’ensemble du système. Le brouilleur d’informations quantiques par excellence est le trou noir, qui est le destructeur ultime en matière d’informations quantiques.

Comprendre comment se produit le brouillage des informations est essentiel pour aborder les problèmes fondamentaux de la physique quantique.

« Le brouillage des informations quantiques nous intéresse car nous pouvons l’utiliser pour effectuer des calculs supplémentaires, tels que des calculs de physique statistique », indique Kazuhiro Seki du Centre de calcul quantique RIKEN (RQC).

Une façon d’étudier le brouillage de l’information quantique consiste à effectuer des simulations, et c’est là que les ordinateurs quantiques peuvent être utiles, car ils sont mieux adaptés à ce type de simulations que les ordinateurs classiques.

Aujourd’hui, Kazuhiro Seki et Seiji Yunoki, également du RQC, ainsi que deux de leurs collègues, ont utilisé deux ordinateurs quantiques de 20 qubits (l’équivalent quantique des bits) pour simuler des circuits de brouillage de l’information quantique (Fig. 1).

Pour la simulation, les chercheurs ont utilisé des ordinateurs quantiques de pointe via le cloud, basés sur des qubits formés à partir d’ions piégés. Ils ont utilisé les ordinateurs quantiques pour effectuer trois simulations, qui comprenaient la création d’un état brouillé et son utilisation pour effectuer des calculs de mécanique statistique quantique.

Bien qu’un ordinateur classique puissant aurait pu être utilisé pour effectuer la simulation, la complexité des simulations approche le domaine où les ordinateurs quantiques seront indispensables pour de tels calculs.

« Nous n’avons utilisé que 20 qubits pour réaliser les simulations dans cette étude », ajoute M. Yunoki. « Si nous pouvons utiliser plus de 50 qubits pour effectuer des calculs similaires, cela pourrait s’avérer trop difficile à gérer pour un ordinateur classique. »

Un ordinateur quantique à ions piégés de 20 qubits a été installé au RIKEN en février 2025. « Nous espérons le mettre à niveau dans les deux prochaines années, afin qu’il dispose d’environ 50 qubits », note pour finir M. Yunoki.

Seki, K., Kikuchi, Y. Hayata, T. & Yunoki, S. Simulating Floquet scrambling circuits on trapped-ion quantum computers. Physical Review Research 7, 023032 (2025). doi: 10.1103/PhysRevResearch.7.023032