Le processeur de 256 qubits de Pasqal révèle dans un aimant quantique un ralentissement que la théorie n'avait pas prédit

Pasqal affirme que son processeur à atomes neutres de 256 qubits a mis au jour, dans un aimant quantique bidimensionnel, un comportement que la théorie actuelle n'avait pas anticipé. Dans une prépublication cosignée avec le Center for Computational Quantum Physics du Flatiron Institute, l'université d'Augsbourg, le Forschungszentrum Jülich, l'université de Ratisbonne et l'Institut d'Optique–CNRS, l'équipe rapporte que, dans certaines conditions, l'aimant met beaucoup plus de temps que prévu à se stabiliser après une perturbation soudaine, dans un régime où les principales méthodes de simulation classique ne concordent plus entre elles.

Ce qui a été annoncé

Pasqal a annoncé ce résultat le 27 octobre et publié sur arXiv l'article Exploring the Relaxation Landscape of a 2D Quantum Magnet on a 256-Qubit Processor. L'entreprise y voit le passage d'un usage des processeurs quantiques pour reproduire une physique connue à leur utilisation pour découvrir des comportements que les chercheurs n'avaient pas prévus. Ces travaux prolongent une étude antérieure dans laquelle la même machine avait reproduit le comportement d'un cristal magnétique réel.

Les détails techniques

L'expérience a disposé 256 atomes de rubidium 87 en un réseau carré de 16×16, chaque atome servant de qubit grâce à son état fondamental et à un état de Rydberg. Le système a simulé le modèle d'Ising bidimensionnel en champ transverse, un modèle de référence du magnétisme. En partant d'un état entièrement polarisé, les chercheurs ont modifié brusquement le hamiltonien, ce que l'on appelle une « trempe » (quench), puis ont observé la relaxation des corrélations pour différents rapports entre champ transverse et intensité d'interaction.

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Ils ont identifié trois régimes. Près de la transition de phase dynamique, autour d'un rapport de 2,5, le système s'est thermalisé rapidement. Sous un champ fort de 6,0, il s'est stabilisé sur un plateau préthermique durable décrit par un modèle effectif de type XY. Pour une valeur intermédiaire de 3,5, la relaxation a nettement ralenti, les corrélations restant loin de leurs valeurs thermiques bien au-delà de l'échelle de temps habituelle. Les auteurs écrivent qu'ils n'ont pas encore d'explication claire à ce ralentissement.

Pour vérifier les données, l'équipe les a comparées à trois méthodes de réseaux de tenseurs : réseaux de tenseurs bidimensionnels, états produits de matrices et réseaux de tenseurs en arbre. Toutes trois suivaient le processeur aux premiers instants, puis s'écartaient des mesures, et les unes des autres, aux temps plus longs. Les résultats du processeur sont restés cohérents à mesure que la taille du système augmentait. La modélisation du bruit, la correction des erreurs de mesure et des simulations exactes sur des réseaux de 5×5 ont étayé la conclusion selon laquelle ce ralentissement relève de la physique à N corps et non d'un artefact matériel.

Pourquoi c'est important

La manière dont des systèmes quantiques en interaction relaxent loin de l'équilibre en deux dimensions est un problème ouvert et difficile, précisément le type de question où les simulateurs quantiques analogiques sont censés être utiles. Pasqal et ses partenaires précisent explicitement que ces travaux ne démontrent pas d'avantage quantique computationnel. Ils les présentent plutôt comme la preuve que ces processeurs peuvent servir d'outils scientifiques complémentaires là où la théorie et le calcul numérique classique peinent.

« Nous ne nous contentons pas de reproduire ce que nous savons déjà, nous mettons au jour des comportements que nous n'attendions pas », a déclaré Loïc Henriet, CTO de Pasqal.

Ce qu'il faut surveiller

L'article est une prépublication : l'évaluation par les pairs et les tentatives d'autres équipes, expérimentales comme théoriques, pour expliquer ce ralentissement constituent les prochaines étapes. Les auteurs présentent les réseaux d'atomes de Rydberg comme une plateforme clé pour les questions ouvertes qu'ils identifient, et estiment que l'amélioration en cours des temps de cohérence ouvre la voie à des analyses systématiques d'échelle en taille finie et en temps fini.