Première simulation de tunnel quantique sur un ordinateur quantique

L'exploitation de l'étrangeté quantique pour l'informatique est l'un des grands objectifs de la physique moderne. Sa promesse est dramatique pour un large éventail de tâches de calcul.

Mais les ordinateurs quantiques ont un autre tour dans leur sac qui est parfois oublié : la capacité de simuler d'autres systèmes quantiques. Les physiciens ont déjà montré comment les ordinateurs quantiques de divers types peuvent simuler des phénomènes tels que les transitions de phase quantiques et la dynamique de l'intrication, des choses que les ordinateurs classiques ne peuvent tout simplement pas gérer.

Il existe cependant un phénomène quantique qui n'a jamais été simulé : le tunneling. C'est la capacité des particules quantiques à franchir une barrière sans sembler l'avoir traversée.

Il n'y a en principe aucune raison pour que les ordinateurs quantiques ne puissent pas simuler la tunnellisation. Le problème est la complexité de la tâche.

Les simulations effectuées jusqu'à présent ont toutes impliqué des processus dits analogiques qui sont relativement simples. L'idée ici est que la description mathématique d'un système, son hamiltonien, est exactement reproduite dans un autre système.

Ainsi, regarder un système vous indique exactement comment l'autre se comporterait. Ceci est connu sous le nom de simulation de particules quantiques analogiques et cela fonctionne bien à condition que vous puissiez trouver des systèmes qui correspondent de la manière requise. L'observation des transitions de phase quantiques est un bon exemple car de nombreux systèmes partagent la même description mathématique.

Pour des problèmes plus complexes, les physiciens ont récemment réfléchi à une autre approche. L'idée ici est de diviser le système mathématique en différentes parties et de les simuler séparément. C'est ce qu'on appelle la simulation numérique des particules quantiques et elle a un potentiel énorme pour des événements impliquant plus d'un objet, tels que la chimie quantique et l'effet tunnel.

Le problème est la complexité de ces calculs, qui nécessitent de nombreuses portes logiques quantiques traitant des dizaines de qubits. Cela a toujours été au-delà de l'état de l'art pour l'informatique quantique.

Plus tôt cette année, cependant, Andrew Sornborger de l'Université de Géorgie à Athènes a montré comment le cas d'une seule particule traversant une barrière pourrait être rendu suffisamment simple pour être simulé sur les ordinateurs quantiques d'aujourd'hui. Une telle démonstration serait le premier exemple d'une simulation quantique numérique.

Et aujourd'hui, Guan Ru Feng et ses amis de l'Université Tsinghua de Pékin disent qu'ils l'ont fait. Pour simuler l'effet tunnel, ces gars ont utilisé un ordinateur quantique qui s'appuie sur la résonance magnétique nucléaire pour manipuler les qubits encodés dans les atomes de carbone et d'hydrogène qui composent les molécules de chloroforme. Ils disent qu'il s'agit de la première démonstration d'une simulation de tunnel quantique utilisant un ordinateur quantique RMN.

Cela devrait ouvrir les vannes à davantage de simulations quantiques numériques à l'avenir. C'est important car cette approche a le potentiel de simuler des phénomènes quantiques beaucoup plus complexes qu'il n'est actuellement possible. Attendez-vous à en voir plus.

Réf : arxiv.org/abs/1205.2421 : Simulation numérique expérimentale de l'effet tunnel quantique dans un simulateur quantique RMN

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