Un processeur de 91 qubits simule avec précision le chaos quantique à plusieurs corps

Une avancée majeure publiée dans Nature Physics

Vous avez sans doute déjà entendu parler de la théorie du chaos, cette idée fascinante que le battement d’aile d’un papillon peut provoquer une tempête à l’autre bout du monde. Mais avez-vous déjà entendu parler du « chaos quantique à plusieurs corps » ? C’est un domaine complexe qui tente de décrire des systèmes dynamiques classiques chaotiques avec les règles de la théorie quantique. Le problème, c’est que simuler ces systèmes demande une puissance de calcul colossale, souvent hors de portée. Enfin, c’était le cas jusqu’à présent.

Une équipe de chercheurs vient de franchir un cap décisif. Selon leurs résultats, publiés dans la prestigieuse revue Nature Physics, ils ont réussi à simuler avec précision ce chaos quantique. Leur secret ? Ils ont utilisé un processeur quantique supraconducteur de 91 qubits, en s’appuyant sur des circuits spécialisés et une technique astucieuse de gestion des erreurs.

Accepter le bruit pour mieux le corriger

Pour qu’une simulation quantique soit utile, il faut impérativement éliminer les erreurs. La méthode classique, la « correction d’erreurs », est lourde : elle demande énormément de qubits supplémentaires et de contrôle, ce qui crée une surcharge technique importante. Jusqu’ici, pour contourner cet obstacle, les scientifiques se limitaient à simuler des systèmes plus petits ou des modèles moins chaotiques (dits « intégrables »).

L’équipe de cette nouvelle étude a choisi une tout autre approche. Au lieu de la correction pure et dure, ils ont opté pour l’atténuation des erreurs. En gros, ils acceptent que le bruit parasite existe pendant le calcul, et ils corrigent le tir plus tard. Cela permet d’économiser de précieuses ressources de calcul.

Comment cela fonctionne-t-il concrètement ? Les auteurs expliquent que leur réussite repose sur une capacité précise à caractériser le bruit sur leur grand processeur, combinée à une méthode récente : l’atténuation des erreurs par réseau de tenseurs (TEM). Cette technique TEM corrige les erreurs entièrement lors du post-traitement informatique. Elle met en œuvre une inversion du « canal bruité » via un réseau de tenseurs. Certes, cela demande un peu plus de temps de calcul classique et implique certaines approximations, mais cela réduit potentiellement la surcharge d’échantillonnage sur la machine quantique par rapport aux méthodes traditionnelles.

Le secret des circuits « doublement unitaires »

Pour réussir cette simulation sur leur processeur de 91 qubits, l’équipe a utilisé ce qu’on appelle des circuits doublement unitaires (DU). C’est un peu technique, mais fascinant : ces circuits contiennent des portes logiques qui présentent une unitarité à la fois dans le temps et dans l’espace. Cela permet de calculer exactement certaines propriétés du système qui seraient normalement trop difficiles à évaluer.

Ces circuits DU ont une particularité : ils mélangent l’information à une vitesse extrême, tout en permettant des prédictions exactes pour certaines mesures spécifiques. Les chercheurs les ont utilisés pour simuler un « modèle d’Ising frappé » (kicked Ising model), qui est un système quantique à plusieurs corps soumis à une impulsion périodique, en préparant des états quantiques initiaux bien précis.

Le résultat ? Les données obtenues grâce à l’atténuation des erreurs correspondaient de très près aux prédictions analytiques exactes concernant la décroissance de l’autocorrélation, et ce, pour plusieurs tailles de systèmes différentes.

Comparaison avec les méthodes classiques : le verdict

Bien sûr, il ne suffit pas de lancer une simulation, il faut vérifier qu’elle dit vrai. L’équipe a donc comparé ses résultats avec des solutions analytiques et des simulations classiques par réseaux de tenseurs, en utilisant deux approches théoriques : la représentation de Heisenberg et celle de Schrödinger.

Pour les circuits DU qui pouvaient être résolus analytiquement, ils ont constaté que même en s’éloignant des points exactement résolubles, les résultats quantiques s’accordaient avec les simulations classiques avancées. Et cela, même à des échelles où une simulation classique par « force brute » est impossible. Les chercheurs soulignent toutefois qu’à cette échelle, sans solution analytique exacte, on ne peut comparer leurs calculs qu’avec des méthodes classiques approximatives.

C’est là que les détails deviennent croustillants. En comparant les résultats corrigés avec les simulations par réseaux de tenseurs, l’équipe écrit : « À travers les différents paramètres, les données expérimentales montrent un fort accord avec les simulations en représentation de Heisenberg, avec quelques déviations apparaissant pour des volumes de circuits plus grands. » En revanche, ils ont noté de « grands désaccords » avec les simulations en représentation de Schrödinger.

Pourquoi ? Parce que les simulations en mode Heisenberg convergent plus vite. Alors que la dynamique semble converger sur les ordinateurs classiques avec l’approche Heisenberg, faire la même chose avec l’approche Schrödinger au même taux de convergence devient tout simplement inabordable à l’échelle de ces expériences.

Vers une nouvelle ère de la simulation

Au final, qu’est-ce que cela change pour nous ? Ce travail ouvre une voie royale pour utiliser les ordinateurs quantiques actuels (qui ne sont pas encore parfaits) afin d’étudier le chaos quantique, le transport et la localisation dans les matériaux. C’est une avancée concrète.

Cela permet aussi de renforcer la confiance dans l’informatique quantique en tant qu’outil scientifique fiable, et ce, bien avant que la correction d’erreurs totale ne soit au point. Comme le disent les auteurs de l’étude, cette approche pourrait permettre des simulations quantiques de dynamiques à plusieurs corps qui surpassent les méthodes classiques, le tout avant même d’atteindre la tolérance aux pannes complète, au fur et à mesure que le matériel quantique progresse.

Selon la source : phys.org

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