Simulateurs quantiques
AXE 2Certaines questions spécifiques sont inaccessibles même aux super calculateurs classiques mais ne nécessitent pas pour autant d’ordinateur quantique universel. L’objectif des simulateurs quantiques est de répondre à ces questions, en modélisant le comportement de systèmes constitués de nombreux objets quantiques en interaction. L’idée est de simuler le problème étudié avec un autre système quantique, plus facile à manipuler, et d’explorer des configurations ou des jeux de paramètres inaccessibles au système initial. La vérification des simulateurs quantiques est essentielle et requiert des efforts pluridisciplinaires d’amélioration des modèles théoriques.
Leurs applications incluent la compréhension de phénomènes quantiques comme la supraconductivité à haute température critique, le magnétisme quantique, les systèmes quantiques hors équilibre en présence de désordre, les phases topologiques, mais aussi d’autres questions dans les domaines des matériaux, des hautes énergies, de l’astrophysique ou de la chimie quantique, souvent abordées par le biais de l’optimisation (recherche de la configuration stable).
La simulation quantique est un domaine extrêmement dynamique aujourd’hui avec des enjeux à très courts termes. En effet, on sait désormais réaliser des simulateurs fiables avec plusieurs centaines de qubits qui permettent d’explorer ces modèles quantiques d’une façon inaccessible aux ordinateurs classiques. Certes le champ d’application d’un simulateur quantique donné est plus restreint que celui d’un ordinateur quantique (par définition universel), mais l’émergence d’applications pratiques, en particulier aux problèmes d’optimisation, stimule le développement de systèmes commerciaux dans des startups avec des investissements plus légers, et donc plus dynamiques, que ceux associés aux projets d’ordinateurs quantiques des grandes multinationales (Google, IBM).
De nombreuses plateformes sont utilisées en laboratoire pour explorer et appliquer ce concept de simulation quantique : les gaz d’atomes, les gaz d’électrons dans les matériaux, les circuits supraconducteurs, divers systèmes photoniques, etc.
Figure 2 : Une matrice carrée de 361 atomes individuels de rubidium, piégés dans des pinces optiques. La distance entre plus proches voisins est de 5 µm. Photo : Thierry Lahaye, LCF, IOGS (Mars 2022).
Objectif
L’objectif est ici le développement et la maturation des simulateurs quantiques, sous plusieurs angles : plateformes de simulation quantique diversifiées, validation des simulateurs, valorisation des simulateurs existants, extension des cas d’usage.
Responsables
Jérôme BEUGNON
LKB, Collège de France
Laurent SANCHEZ-PALENCIA
CPhT, École polytechnique
Bureau
Jacqueline BLOCH
C2N
Christophe MORA
MPQ
Jérôme ESTEVE
LPS
Adrien SIGNOLES
Pasqal