En utilisant un ordinateur classique et des outils mathématiques et des codes de pointe, des physiciens du Center for Computational Quantum Physics (CCQ) du Flatiron Institute de la Simons Foundation et des collaborateurs de l’Université de Boston ont résolu un problème de physique quantique redoutable qui était auparavant présenté comme soluble uniquement par des ordinateurs quantiques.
La technique est si révolutionnaire dans son efficacité que les chercheurs ont même pu utiliser un ordinateur portable personnel pour résoudre le problème. En permettant aux scientifiques d’extraire davantage de puissance de résolution des ordinateurs classiques, cette méthodologie innovante ouvre de nouvelles voies de recherche sur la dynamique quantique et pourrait servir de protocole pour résoudre des problèmes d’optimisation parmi une multitude de solutions possibles.
Le problème en question consiste à simuler un système quantique composé de centaines de « qubits » en interaction — l’équivalent informatique quantique des bits utilisés dans les ordinateurs classiques — disposés en réseaux carrés, cubiques ou diamant. Alors que les bits peuvent avoir les valeurs 0 ou 1, les qubits peuvent exister dans une superposition de plusieurs valeurs, ce qui rend difficile pour les ordinateurs traditionnels de simuler leur dynamique.
Dans un article de mars 2025, également publié dans Science, un groupe de chercheurs en informatique quantique a rapporté avoir calculé la dynamique d’un système de qubits particulièrement complexe à l’aide d’un ordinateur quantique. Ils ont en outre affirmé que cet exploit était impossible à reproduire avec des ordinateurs classiques.
« Chaque fois que nous [au CCQ] voyons ce genre d’affirmations, nous sommes toujours un peu sceptiques », explique Joseph Tindall, chercheur associé au CCQ et premier auteur du nouvel article dans Science. « Comme, « As-tu essayé ceci ? As-tu essayé cela ? » »
Le problème a servi d’opportunité pour « tester leurs outils », explique le co-auteur de l’étude et chercheur au CCQ Miles Stoudenmire. « Nous aurions pu choisir une cible plus arbitraire », dit Stoudenmire. « Mais c’était comme “Pourquoi ne pas prendre celui-ci qui a une grande affirmation ?” »
Les travaux étaient particulièrement difficiles en raison de l’intrication quantique, ce qui signifie que les qubits ne peuvent pas être traités individuellement, même lorsqu’ils sont éloignés. Cette intrication nécessite des algorithmes sophistiqués pour être abordée, explique Tindall.
« Quand vous avez beaucoup de particules qui interagissent par la physique quantique, vous avez cette fonction d’onde qui décrit l’état du système », dit Tindall. « C’est un objet immense qui grossit rapidement à mesure que le nombre de particules augmente. »
Alors que la taille de la fonction d’onde croît de façon exponentielle, « je ne peux tout simplement pas la stocker directement sur mon ordinateur », dit-il. Travailler avec des fonctions d’onde aussi massives est un défi courant en physique quantique, mais nécessaire pour des tâches comme prédire les propriétés des matériaux quantiques, tels que les supraconducteurs.
L’équipe du CCQ a réalisé sa percée en développant et en mettant en œuvre de nouveaux outils basés sur les réseaux de tenseurs, que Tindall compare à « un fichier zip pour la fonction d’onde où vous avez pris toutes ces informations et les avez compressées dans cette structure de données mathématique remplie de petits tableaux de nombres interconnectés. »
Les réseaux de tenseurs ont rendu le problème réalisable pour les ordinateurs classiques. Tindall a effectué une grande partie des calculs initiaux sur un ordinateur portable en utilisant le code d’une bibliothèque logicielle de réseaux de tenseurs hautes performances développée au CCQ appelée ITensor. Les simulations récemment publiées illustrent comment l’équipe ITensor découvre de nouvelles façons de réutiliser les méthodes tensorielles pour des applications innovantes. Ces simulations capturent la dynamique tridimensionnelle à l’aide d’un réseau de tenseurs 3D.
« C’est une compression très puissante qui peut être très efficace, mais c’est un objet mathématique assez complexe », explique Tindall. « C’est vraiment un peu une frontière, car travailler avec ces objets — surtout en trois dimensions — est très peu exploré. Vous avez besoin de codes et d’algorithmes sophistiqués pour les traiter ; c’est un défi d’ingénierie logicielle en soi. »
L’équipe a effectué nombre de ses simulations en utilisant des ressources informatiques relativement modestes. Tindall a réalisé les calculs initiaux à l’aide d’un ancien type d’algorithme — appelé propagation de croyances — des années 1980 qui a été récemment adapté aux systèmes quantiques. « C’est un peu plus approximatif que certaines autres méthodes, mais c’est beaucoup moins coûteux, et nous pouvons l’exécuter beaucoup plus directement sur de nombreux problèmes plus difficiles », explique Stoudenmire. Il oppose cela à « des méthodes plus sophistiquées du passé de notre domaine » qui « ne pourraient même pas commencer à s’attaquer à certains de ces problèmes tridimensionnels, car ils sont si grands. »
Malgré l’utilisation de matériel informatique modeste, les chercheurs ont démontré que leurs simulations produisaient des précisions de pointe. Les simulations ont convergé vers des solutions conformes aux prédictions théoriques et ont fourni des résultats précis lorsqu’appliquées à des problèmes tests plus petits. Les résultats concordaient également avec ceux rapportés par les chercheurs en informatique quantique — mais sans nécessiter d’ordinateur quantique.
Bien que les chercheurs en informatique classique et quantique puissent sembler en désaccord sur les limites de leurs sous-domaines respectifs, Tindall et Stoudenmire notent qu’il existe également un partage de connaissances et d’inspirations entre les deux approches.
« Le bon côté du débat entre informatique classique et quantique, c’est qu’il y a beaucoup de synergie entre le type de simulations qui nous intéressent, les codes que nous écrivons et ce qui peut être réalisé sur ces ordinateurs quantiques », explique Tindall. « Cela peut nous guider, et cela peut aussi guider les chercheurs en informatique quantique, car, évidemment, la barrière d’entrée pour simuler certaines choses est beaucoup plus facile pour nous que pour eux, puisque nous n’avons pas besoin de construire un ordinateur quantique. Je peux juste écrire du code et appuyer sur « exécuter » sur mon ordinateur personnel. »
L’équipe pousse encore plus loin ses travaux en développant des outils pour dépasser les systèmes à qubits et s’attaquer à des problèmes impliquant des électrons pouvant se déplacer entre sites – un défi encore plus redoutable qui se connecte directement à la simulation de matériaux quantiques. « Ce sont vraiment, quantitativement, des problèmes beaucoup plus difficiles », dit Stoudenmire. « C’est donc l’une de nos prochaines grandes étapes à franchir. »
Journal : Science – DOI : Lien vers l’étude
Source : Simons Foundation
