Axe Simulations quantiques

Etude de la dynamique d’une transition de phase par détection de supercourants quantifiés dans un anneau d’atomes ultra-froids. Les interférences d’ondes de matière observées entre les atomes piégés dans l’anneau et une référence de phase sont soit, à gauche, des anneaux concentriques (absence de courant) soit, à droite, un spirale (présence d’un courant). (LKB-Collège de France).

 

Comprendre et modéliser correctement les systèmes quantiques complexes, en prenant en compte les interactions entre toutes les particules, est fondamental pour la physique moderne. C’est un enjeu crucial en physique des matériaux, physique des particules, chimie quantique, voire en biologie. Mais les ordinateurs classiques ne sont pas capables de traiter ces problèmes dès lors que la taille du système augmente, car la mémoire nécessaire croît exponentiellement avec le nombre de particules considérées. L’idée générale de la simulation quantique est donc de laisser de côté l’ordinateur classique, et d’utiliser plutôt les ressources d’un autre système quantique plus facilement contrôlable et accessible à la mesure, mais obéissant aux mêmes équations. En réalisant des phases de préparation, d’évolution et de mesure, l’évolution quantique de ce système modèle fournit directement le résultat recherché pour le système complexe initial.

Des progrès très importants ont été accomplis dans cette direction au cours des quinze dernières années. Les systèmes quantiques utilisés peuvent être de nature différentes, allant des ions piégés aux circuits supraconducteurs, en passant par les atomes ou molécules froids, les réseaux d’atomes artificiels dans des semi-conducteurs, les photons, les polaritons ou les excitons. Chacune des briques nécessaire à la création d’un simulateur est maîtrisée dans au moins l’une des plateformes, mais aucune ne les possède toutes. Il est donc probable que le choix de la plateforme la plus performante dépende du problème que l’on veut simuler. Certaines plateformes sont en effet plus adaptées à la simulation analogique d’un problème (en reproduisant le système et le laissant évoluer), et d’autres se prêtent à la simulation « digitale » ou numérique, l’évolution étant alors décomposée en étapes élémentaires qui sont appliquées les unes après les autres.

Quelques directions particulièrement prometteuses concernent le magnétisme quantique, les systèmes quantiques en interactions fortes, homogènes ou sur réseau, les systèmes hors d’équilibre, les phases topologiques, et la théorie. Il est aussi envisagé de développer des interfaces avec d’autres domaines scientifiques, en particulier l’astrophysique, les hautes énergies, les matériaux, la chimie quantique, et les mécanismes biologiques.
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