Christian Bauer, Marat Freytsis et Benjamin Nachman, physiciens du Lawrence Berkeley National Laboratory, ont utilisé un ordinateur quantique IBM Q via le programme utilisateur d’informatique quantique de l’Oak Ridge Leadership Computing Facility pour capturer une partie d’un calcul de collision de deux protons. Le calcul peut montrer la probabilité qu’une particule sortante émette des particules supplémentaires.
Dans le récent article de l’équipe, publié dans Lettres d’examen physique, les chercheurs décrivent comment ils ont utilisé une méthode appelée théorie des champs effective pour décomposer leur théorie complète en composants. En fin de compte, ils ont développé un algorithme quantique pour permettre le calcul de certains de ces composants sur un ordinateur quantique tout en laissant les autres calculs aux ordinateurs classiques.
« Pour une théorie proche de la nature, nous avons montré comment cela fonctionnerait en principe. Ensuite, nous avons pris une version très simplifiée de cette théorie et effectué un calcul explicite sur un ordinateur quantique », a déclaré Nachman.
L’équipe du Berkeley Lab vise à découvrir des informations sur les plus petits éléments constitutifs de la nature en observant les collisions de particules à haute énergie dans des environnements de laboratoire, tels que le Large Hadron Collider à Genève, en Suisse. L’équipe étudie ce qui se passe lors de ces collisions en utilisant des calculs pour comparer les prévisions avec les débris de collision réels.
« L’une des difficultés de ce type de calculs est que nous voulons décrire une large gamme d’énergies », a déclaré Nachman. « Nous voulons décrire les processus les plus énergétiques jusqu’aux processus les plus énergétiques en analysant les particules correspondantes qui volent dans notre détecteur. »
L’utilisation d’un ordinateur quantique seul pour résoudre ce type de calculs nécessite un nombre de qubits bien supérieur aux ressources de calcul quantique disponibles aujourd’hui. L’équipe peut calculer ces problèmes sur des systèmes classiques en utilisant des approximations, mais celles-ci ignorent d’importants effets quantiques. Par conséquent, l’équipe visait à séparer le calcul en différents morceaux qui étaient bien adaptés aux systèmes classiques ou aux ordinateurs quantiques.
L’équipe a mené des expériences sur l’IBM Q via le programme QCUP de l’OLCF au laboratoire national d’Oak Ridge du département américain de l’énergie pour vérifier que les algorithmes quantiques qu’ils ont développés reproduisaient les résultats attendus à petite échelle qui peuvent encore être calculés et confirmés avec des ordinateurs classiques.
« Il s’agit d’un problème de démonstration absolument critique », a déclaré Nachman. « Pour nous, il est important de décrire théoriquement les propriétés de ces particules, puis d’en implémenter une version sur un ordinateur quantique. De nombreux défis qui surviennent lorsque vous utilisez un ordinateur quantique ne se produisent pas théoriquement. Notre algorithme évolue, Ainsi, lorsque nous aurons plus de ressources quantiques, nous pourrons faire des calculs que nous ne pouvions pas faire de manière classique. »
L’équipe vise également à rendre les ordinateurs quantiques utilisables afin qu’ils puissent effectuer les types de sciences qu’ils espèrent faire. Les ordinateurs quantiques sont bruyants et ce bruit introduit des erreurs dans les calculs. Par conséquent, l’équipe a également déployé des techniques d’atténuation des erreurs qu’elle avait développées lors de travaux antérieurs.
Ensuite, l’équipe espère ajouter plus de dimensions à leur problème, diviser leur espace en un plus petit nombre de points et augmenter la taille de leur problème. A terme, ils espèrent faire des calculs sur un ordinateur quantique qui ne sont pas possibles avec les ordinateurs classiques.
« Les ordinateurs quantiques disponibles via l’accord IBM Q de l’ORNL ont environ 100 qubits, nous devrions donc pouvoir évoluer vers des tailles de système plus grandes », a déclaré Nachman.
Les chercheurs espèrent également assouplir leurs approximations et passer à des problèmes de physique plus proches de la nature afin de pouvoir effectuer des calculs qui sont plus qu’une preuve de concept.
Christian W. Bauer et al, Simulation de la physique des collisionneurs sur des ordinateurs quantiques à l’aide de théories de champ efficaces, Lettres d’examen physique (2021). DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.212001