Simulateur quantique

Sur cette photo d'un simulateur quantique, les ions sont fluorescents, ce qui indique que les qubits sont tous dans le même état ("1" ou "0"). Dans de bonnes conditions expérimentales, les ions du cristal prennent spontanément une structure triangulaire. Crédit: Britton/NIST
Illustration de ions piégés : Le cœur du simulateur est un cristal de deux dimensions de ions de béryllium (sphères bleues); l'électron ultrapériphériques de chaque ion est un bits quantiques (flèches rouges). Les ions sont confinés par un grand champ magnétique dans un dispositif appelé un piège de Penning (non illustré). À l'intérieur du piège le cristal tourne dans le sens horaire. Crédit: Britton/NIST

Un simulateur quantique est une classe restreinte d'ordinateur quantique qui contrôle les interactions entre des bits quantiques de manière à pouvoir simuler certains problèmes quantiques difficiles à modéliser autrement[1],[2]. Les simulateurs quantiques permettent l'étude de systèmes quantiques difficiles à étudier en laboratoire et impossible à modéliser avec des supercalculateurs non quantique. Les simulateurs sont des dispositifs spécifiques conçu pour étudier un sujet spécifique de la physique, ils ne sont donc pas généralistes[2],[3].

Un simulateur quantique universel est un calculateur quantique tel que proposé par Richard Feynman en 1982[4]. Feynman a montré qu'une machine de Turing classique simulant des phénomènes quantiques connaîtrait une croissance exponentielle de son temps de calcul tandis qu'un calculateur quantique hypothétique ne ferait pas l'expérience de cette augmentation. David Deutsch , en 1985, a repris les idées de Feynman et a proposé un calculateur quantique universel. En 1996, Seth Lloyd a montré qu'un ordinateur quantique standard pourrait être programmé pour simuler des systèmes locaux quantiques efficacement[5].

Des simulateurs quantiques ont été réalisés à l'aide notamment de systèmes de gaz quantiques ultra froids, d'ions piégés, de systèmes photoniques, de points quantiques et de circuits supraconducteurs[6]

Simulation quantiqueModifier

Les simulateurs quantiques exploitent une propriété de la mécanique quantique appelé superposition, dans lequel un même état quantique peut posséder plusieurs valeurs pour une certaine quantité observable. Ainsi, le nombre d'états simultanément existant pour 3 qubits, par exemple, est de 8, et ce nombre croît de manière exponentielle avec le nombre de qubits : 2N états pour N qubits[7].

Un simulateur quantique peut également utiliser une deuxième propriété quantique appelée l'enchevêtrement entre les qubits, de sorte que même physiquement séparés des particules peuvent être étroitement interconnectées.

Calculateur quantiqueModifier

La différence entre un calculateur quantique universel et un simulateur quantique est qu'un simulateur quantique est construit pour étudier un problème physique en particulier[1] alors qu'un calculateur quantique universel doit pouvoir résoudre n'importe quelle équation[8]. Un ordinateur quantique nécessite un taux d'erreur plus faible qu'un simulateur quantique. La construction d'un ordinateur quantique est plus difficile que celle d'un simulateur[8].

Voir aussiModifier

RéférencesModifier

  1. a et b J. Zhang, G. Pagano, P. W. Hess et A. Kyprianidis, « Observation of a Many-Body Dynamical Phase Transition with a 53-Qubit Quantum Simulator », arXiv:1708.01044 [cond-mat, physics:quant-ph],‎ (lire en ligne, consulté le 1er septembre 2017)
  2. a et b Tomi H. Johnson, Stephen R. Clark et Dieter Jaksch, « What is a quantum simulator? », EPJ Quantum Technology, vol. 1,‎ (DOI 10.1186/epjqt10, lire en ligne)
  3. Joseph W. Britton, Brian C. Sawyer, Adam C. Keith et C.-C. Joseph Wang, « Engineered two-dimensional Ising interactions in a trapped-ion quantum simulator with hundreds of spins », Nature, vol. 484, no 7395,‎ , p. 489–92 (PMID 22538611, DOI 10.1038/nature10981, Bibcode 2012Natur.484..489B, arXiv 1204.5789, lire en ligne)
  4. Richard Feynman, « Simulating Physics with Computers », International Journal of Theoretical Physics, vol. 21, nos 6–7,‎ , p. 467–488 (DOI 10.1007/BF02650179, Bibcode 1982IJTP...21..467F, lire en ligne, consulté le 19 octobre 2007)
  5. Lloyd, S., « Universal quantum simulators », Science, vol. 273, no 5278,‎ , p. 1073–8 (PMID 8688088, DOI 10.1126/science.273.5278.1073, Bibcode 1996Sci...273.1073L, lire en ligne, consulté le 8 juillet 2009)
  6. Nature Physics Insight – Quantum Simulation.
  7. J. Ignacio Cirac et Peter Zoller, « Goals and opportunities in quantum simulation », Nature Physics, vol. 8, no 4,‎ , p. 264–266 (DOI 10.1038/nphys2275, Bibcode 2012NatPh...8..264C, lire en ligne)
  8. a et b (en-US) « Quantum simulator with 51 qubits is largest ever », New Scientist,‎ (lire en ligne, consulté le 1er septembre 2017)