Une équipe de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology a franchi une étape importante dans les technologies quantiques, démontrant pour la première fois le contrôle de l’aléatoire quantique.
L’équipe de chercheurs s’est concentrée sur une caractéristique unique de la physique quantique connue sous le nom de « fluctuations du vide ». Vous pourriez penser à un vide comme un espace complètement vide sans matière ni lumière. Cependant, dans le monde quantique, même cet espace « vide » connaît des fluctuations ou des changements. Imaginez une mer calme qui reçoit soudainement des vagues – c’est similaire à ce qui se passe dans le vide au niveau quantique. Auparavant, ces fluctuations permettaient aux scientifiques de générer des nombres aléatoires. Ils sont également responsables de nombreux phénomènes fascinants que les scientifiques quantiques ont découverts au cours des cent dernières années.
Les résultats sont décrits aujourd’hui dans la revue Science, dans un article dirigé par les associés postdoctoraux du MIT Charles Roques-Carmes et Yannick Salamin ; les professeurs du MIT Marin Soljačić et John Joannopoulos ; et collègues.
Classiquement, les ordinateurs fonctionnent de manière déterministe, exécutant des instructions pas à pas qui suivent un ensemble de règles et d’algorithmes prédéfinis. Dans ce paradigme, si vous exécutez la même opération plusieurs fois, vous obtenez toujours exactement le même résultat. Cette approche déterministe a propulsé notre ère numérique, mais elle a ses limites, en particulier lorsqu’il s’agit de simuler le monde physique ou d’optimiser des systèmes complexes, des tâches qui impliquent souvent de grandes quantités d’incertitude et d’aléatoire.
C’est là qu’intervient le concept de calcul probabiliste. Les systèmes informatiques probabilistes exploitent le caractère aléatoire intrinsèque de certains processus pour effectuer des calculs. Ils ne se contentent pas de fournir une seule « bonne » réponse, mais plutôt une gamme de résultats possibles, chacun avec sa probabilité associée. Cela les rend intrinsèquement bien adaptés pour simuler des phénomènes physiques et résoudre des problèmes d’optimisation où plusieurs solutions peuvent exister et où l’exploration de diverses possibilités peut conduire à une meilleure solution.
Cependant, la mise en œuvre pratique du calcul probabiliste a été entravée historiquement par un obstacle important : le manque de contrôle sur les distributions de probabilité associées au hasard quantique. Mais les recherches menées par l’équipe du MIT ont mis en lumière une solution possible.
Plus précisément, les chercheurs ont montré que l’injection d’une « polarisation » laser faible dans un oscillateur paramétrique optique, un système optique qui génère naturellement des nombres aléatoires, peut servir de source contrôlable d’aléatoire quantique « biaisé ».
« Malgré une étude approfondie de ces systèmes quantiques, l’influence d’un champ de biais très faible était inexplorée », remarque Charles Roques-Carmes, chercheur dans l’étude. « Notre découverte de l’aléatoire quantique contrôlable nous permet non seulement de revisiter des concepts vieux de plusieurs décennies en optique quantique, mais ouvre également un potentiel en informatique probabiliste et en détection de champ ultra-précise. »
L’équipe a démontré avec succès sa capacité à manipuler les probabilités associées aux états de sortie d’un oscillateur paramétrique optique, créant ainsi le tout premier bit probabiliste photonique contrôlable (p-bit). De plus, le système a montré une sensibilité aux oscillations temporelles des impulsions de champ de polarisation, même bien en dessous du niveau de photon unique.
Yannick Salamin, un autre membre de l’équipe, remarque : « Notre système de génération photonique de p-bits permet actuellement la production de 10 000 bits par seconde, chacun pouvant suivre une distribution binomiale arbitraire. Nous nous attendons à ce que cette technologie évolue dans les prochaines années, conduisant à des p-bits photoniques à débit plus élevé et à une gamme d’applications plus large. »
Le professeur Marin Soljačić du MIT souligne les implications plus larges de ces travaux : « En faisant des fluctuations du vide un élément contrôlable, nous repoussons les limites de ce qui est possible dans le calcul probabiliste quantique amélioré. La perspective de simuler des dynamiques complexes dans des domaines tels que l’optimisation combinatoire et les simulations de chromodynamique quantique sur réseau sont très excitantes. »
Plus d’information:
Charles Roques-Carmes et al, Biaser le vide quantique pour contrôler les distributions de probabilité macroscopiques, Science (2023). DOI : 10.1126/science.adh4920. www.science.org/doi/10.1126/science.adh4920