Exploiter les gains quantiques devient possible après la résolution instantanée d’un problème de simulation massive

Les technologies quantiques comme les ordinateurs quantiques sont construites à partir de matériaux quantiques. Ces types de matériaux présentent des propriétés quantiques lorsqu’ils sont exposés aux bonnes conditions. Curieusement, les ingénieurs peuvent également déclencher un comportement quantique en manipulant la structure d’un matériau, par exemple en empilant des couches de graphène les unes sur les autres et en les tordant pour créer un motif moiré, ce qui les transforme soudainement en supraconducteur.

Les couches peuvent être arrangées de manières de plus en plus complexes, jusqu’aux quasi-cristaux et matériaux super-moirés. Le problème fondamental est que les scientifiques doivent d’abord calculer les propriétés des nouveaux matériaux potentiels pour prédire s’ils pourraient être utiles. Les quasi-cristaux, par exemple, sont si complexes qu’ils peuvent nécessiter le traitement de plus d’un quadrillion de nombres — bien au-delà de la capacité des supercalculateurs les plus puissants du monde.

Des chercheurs du Département de physique appliquée de l’Université Aalto ont maintenant montré comment un algorithme d’inspiration quantique permet de résoudre ces matériaux quantiques colossaux et non périodiques en un instant.  Il s’agit également d’une première démonstration d’une boucle de rétroaction positive de la technologie quantique, explique le professeur adjoint Jose Lado.

« Crucialement, ces nouveaux algorithmes quantiques peuvent permettre le développement de nouveaux matériaux quantiques pour construire de nouveaux paradigmes d’ordinateurs quantiques, créant une boucle de rétroaction productive entre les matériaux quantiques et les ordinateurs quantiques », explique-t-il.

Leur découverte ouvre la voie à la construction d’électronique sans dissipation, ce qui pourrait, par exemple, aider à atténuer l’impact thermique des centres de données alimentant l’IA.

Dispersés sur une forme déjà complexe

Dans l’étude, l’équipe s’est concentrée sur les quasi-cristaux topologiques, qui présentent des excitations quantiques non conventionnelles. Exploiter leur puissance est important car elles protègent la conductivité électrique du matériau quantique du bruit et des interférences fatales, mais elles sont dispersées de manière inégale dans tout le quasi-cristal. Au lieu d’essayer de calculer l’énorme forme du quasi-cristal, l’équipe a traduit le problème dans le même langage que celui des ordinateurs quantiques.

« Les ordinateurs quantiques fonctionnent dans des espaces de calcul exponentiellement grands, nous avons donc utilisé une famille spéciale d’algorithmes pour encoder ces espaces, connus sous le nom de réseaux de tenseurs, pour calculer un quasi-cristal avec plus de 268 millions de sites. Notre algorithme montre comment les problèmes colossaux des matériaux quantiques peuvent être résolus directement avec l’accélération exponentielle qui vient du codage du problème comme un système quantique à plusieurs corps », déclare Antão.

L’algorithme est un calcul théorique exécuté sur une simulation, mais la confirmation expérimentale et les étapes futures potentielles sont en vue.

« L’algorithme d’inspiration quantique que nous avons démontré nous permet de créer des quasi-cristaux super-moirés plusieurs ordres de grandeur au-dessus des capacités des méthodes conventionnelles. C’est une étape instrumentale vers la conception de qubits topologiques avec des matériaux super-moirés pour une utilisation dans les ordinateurs quantiques, par exemple », explique Lado.

Vers un premier cas d’utilisation pour les ordinateurs quantiques

Selon Lado, l’algorithme de l’équipe pourrait être adapté pour être injecté dans un ordinateur quantique. « Notre méthode peut être adaptée pour fonctionner sur de vrais ordinateurs quantiques, une fois qu’ils atteindront l’échelle et la fidélité nécessaires. En particulier, le nouvel AaltoQ20 et l’infrastructure finlandaise de calcul quantique peuvent jouer un rôle significatif pour les démonstrations futures », explique Lado.

Les résultats démontrent que la compréhension et la conception de matériaux quantiques exotiques sont l’un des premiers usages réels potentiels des algorithmes quantiques et des ordinateurs quantiques — quelque chose pour laquelle Lado a déjà ouvert la voie.

L’étude réunit deux axes majeurs de la technologie quantique en Finlande : les matériaux quantiques et les algorithmes quantiques. Elle fait partie de la subvention ERC Consolidator de Lado ULTRATWISTROICS qui vise à concevoir des qubits topologiques en utilisant des matériaux van der Waals, et du Centre d’excellence en matériaux quantiques QMAT dont la mission est d’alimenter la technologie quantique des décennies à venir.

L’équipe, dirigée par Lado, comprenait le chercheur doctoral Tiago Antão, auteur principal du travail ; le chercheur doctoral QDOC Yitao Sun, et le chercheur principal de l’Académie Adolfo Fumega. L’article a récemment été publié dans Physical Review Letters comme suggestion de l’éditeur : https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/hhdf-xpwg.

Article : Tensor Network Method for Real-Space Topology in Quasicrystal Chern Mosaics – Journal : Physical Review Letters – DOI : Lien vers l’étude

Source : Aalto U.