QuEra
L’informatique quantique est entrée dans une période un peu délicate. Il y a eu des démonstrations claires que nous pouvons exécuter avec succès des algorithmes quantiques, mais le nombre de qubits et les taux d’erreur du matériel existant signifient que nous ne pouvons résoudre aucun problème commercialement utile pour le moment. Ainsi, alors que de nombreuses entreprises s’intéressent à l’informatique quantique et ont développé des logiciels pour le matériel existant (et ont payé l’accès à ce matériel), les efforts se sont concentrés sur la préparation. Ils veulent l’expertise et la capacité nécessaires pour développer des logiciels utiles une fois que les ordinateurs sont prêts à les exécuter.
Pour le moment, cela les laisse attendre que les entreprises de matériel produisent des machines suffisamment robustes, des machines qui n’ont pas actuellement de date de livraison claire. Cela pourrait prendre des années; cela pourrait prendre des décennies. Au-delà d’apprendre à développer des logiciels d’informatique quantique, il n’y a rien d’évident à faire avec le matériel entre-temps.
Mais une entreprise appelée QuEra a peut-être trouvé un moyen de faire quelque chose qui n’est pas aussi évident. La technologie qu’elle développe pourrait à terme ouvrir la voie à l’informatique quantique. Mais jusque-là, il est possible de résoudre une classe de problèmes mathématiques sur le même matériel, et toute amélioration de ce matériel profitera aux deux types de calcul. Et dans un nouvel article, les chercheurs de la société ont élargi les types de calculs pouvant être exécutés sur leur machine.
Maintien de la neutralité
Les qubits de QuEra sont basés sur des atomes neutres, une technologie bien établie qui est également utilisée par au moins une autre startup d’informatique quantique. En règle générale, les atomes neutres sont utilisés dans les ordinateurs quantiques à usage général basés sur des portes, qui peuvent effectuer des calculs via une série d’opérations logiques effectuées sur les qubits. Bien que ceux-ci puissent potentiellement effectuer n’importe quel calcul, il existe des calculs spécifiques qui peuvent être effectués sur des ordinateurs quantiques à porte qui ne pourraient pas être calculés par un ordinateur traditionnel.
Dans le mode basé sur la porte d’un ordinateur quantique à atome neutre, le spin du noyau est utilisé comme un qubit. Les atomes peuvent être déplacés et maintenus en place par la lumière laser, ce qui crée des pièges où il est énergétiquement favorable pour les atomes de s’asseoir. En déplaçant ces pièges, il est possible de placer deux atomes l’un à côté de l’autre et d’effectuer des opérations conjointes sur eux. Normalement, le nuage d’électrons empêche le spin nucléaire d’interagir avec quoi que ce soit, ce qui donne un qubit très stable. Mais le spin peut être adressé après avoir excité l’atome à un état de Rydberg, où l’un de ses électrons est excité à de très hautes énergies, créant un nuage distant qui reste à peine lié à l’atome.
Ainsi, les atomes neutres fournissent tous les outils nécessaires à l’informatique quantique basée sur les portes : un état quantique à longue durée de vie, la capacité de définir et de lire cet état, et la capacité de connecter arbitrairement deux qubits en les plaçant à proximité. Mais, comme avec d’autres ordinateurs quantiques basés sur des portes, le nombre de qubits est trop faible et les taux d’erreur sont trop élevés pour le moment pour autre chose que des démonstrations.
Mais il y a le mode de fonctionnement alternatif, que QuEra appelle un « mode analogique ». Ceci est basé sur un phénomène appelé le blocage de Rydberg, un phénomène quantique où la présence d’un atome dans l’état de Rydberg réduit la probabilité que tout autre atome à proximité se retrouve dans le même état. En contrôlant la distance entre les atomes, vous pouvez effectivement créer des situations où un seul membre d’une paire d’atomes peut entrer dans l’état.
Cela permet à un ensemble de deux atomes (ou plus) de s’emmêler dans une superposition quantique. Vous pouvez placer les atomes à une distance où un seul d’entre eux peut entrer dans l’état de Rydberg, puis baigner les deux dans suffisamment de lumière pour exciter un électron. Un seul d’entre eux peut répondre, et il n’y a aucun moyen de déterminer à l’avance lequel d’entre eux le fera. Jusqu’à ce que vous mesuriez, les deux atomes sont également susceptibles d’être dans l’état de Rydberg – ils sont dans une superposition. Et, tout comme dans d’autres systèmes intriqués, la mesure d’un atome signifie que le second doit être dans l’état opposé.
Contraintes sur contraintes
Imaginez maintenant placer un troisième atome dans une ligne avec les deux autres. Tous les atomes entrent dans une superposition d’états, mais à cause du blocage de Rydberg, il n’y a que deux configurations stables à basse énergie : les deux atomes à la fin sont dans l’état de Rydberg, ou seul l’atome du milieu est dans cet état – la géométrie ajoute des contraintes au système. La modification de la géométrie modifie les contraintes ; si les trois atomes étaient disposés dans un triangle avec des côtés de longueur égale, alors il y a trois états finaux stables qui sont tous également probables, chacun avec un seul atome dans l’état de Rydberg.
L’ajout de plus d’atomes impose des contraintes supplémentaires sur les états finaux stables du système, la nature exacte de ces états dépendant de la géométrie. Et les gens de QuEra ont reconnu que de petits groupes d’atomes qui ont un ensemble de contraintes pourraient être reliés par des atomes à un groupe supplémentaire avec des contraintes complètement différentes. Cela laisse l’état final défini par la combinaison des deux contraintes. Et le processus pourrait être répété jusqu’à ce que la géométrie dicte un large ensemble de contraintes sur l’état fondamental du système.
Ces contraintes pourraient représenter une forme de problème mathématique appelé ensemble indépendant du poids maximum. La géométrie représente les propriétés de l’ensemble souhaité et le ou les états fondamentaux dans lesquels il s’installe représentent les membres de l’ensemble avec des propriétés spécifiques. « Nous profitons du fait que [the atoms] n’interagissent pas nécessairement les uns avec les autres pour les placer dans des géométries spécifiques », a déclaré Alex Keesling de QuEra. « Et cela peut être une grille, ou cela peut être un problème de graphique que vous représentez littéralement avec l’endroit où les atomes sont placés les uns par rapport aux autres. «
L’une des principales caractéristiques de ce type de problème est que, à mesure que la taille des ensembles augmente, il devient de plus en plus difficile de trouver ces ensembles maximaux à l’aide d’ordinateurs classiques. L’autre est que c’est ce qu’on appelle un problème NP-complet, ce qui signifie que tout autre problème NP-complet peut être transformé de sorte que la résolution d’un problème d’ensemble indépendant de poids maximum fournira une solution. Cela signifie que l’utilisation de la machine QuEra dans ce mode peut potentiellement résoudre un large éventail de problèmes mathématiques.