Premiers pas prometteurs pour la simulation quantique

Physique nucléaire

Pour la première fois à l’IN2P3 un calcul de physique nucléaire a été réalisé avec succès sur un ordinateur quantique. Ce travail encore très préliminaire, mené par Denis Lacroix, théoricien d’IJCLab, valide une méthode de programmation de ces ordinateurs très particuliers, et laisse entrevoir le potentiel de ces machines à simuler sans limitations l’intégralité des noyaux de la table des éléments. Un résultat paru dans PRL le 2 décembre 2020.

Parvenir à simuler précisément tous les noyaux de la table des éléments en partant des interactions entre les protons/neutrons est un graal inaccessible à l’informatique classique. En revanche, l’ordinateur quantique, naturellement capable de mimer les propriétés quantiques des particules, a toutes les chances d’y parvenir. Du moins théoriquement car à ce jour les machines existantes sont encore loin d’avoir la stabilité et la fiabilité souhaitée. Néanmoins, les premiers prototypes d’ordinateurs quantiques sont déjà l’occasion de concevoir et tester les algorithmes de simulation quantique qui tourneront sur les futures machines en cours de développement.

Tri d'états intriqués de noyaux

Cette voie prometteuse est explorée à l’IN2P3 par Denis Lacroix, théoricien en physique nucléaire d’IJCLab. Il vient de développer un algorithme capable de trier quasi-instantanément les états intriqués des noyaux en fonction de leurs propriétés (nombre de particules, moment angulaire, …)1. Testé sur des émulateurs d’ordinateur quantiques (sans bruit) puis sur la plateforme quantique d’IBM2 sur le phénomène de superfluidité, l’algorithme a donné toute satisfaction. En l’occurrence, les résultats qu’il donnait, bien que fortement bruités, étaient en parfaite concordance avec les données issues de simulations classiques.

« Cet algorithme peut potentiellement être utilisé pour l’application des théories de champ moyen ou des théories dites ab-initio (sans approximation) pour la simulation des noyaux atomiques, explique Denis Lacroix. C’est une première brique algorithmique qui démontre concrètement l’intérêt de recourir à l’ordinateur quantique et qui montre d’ores et déjà que, si les machines quantiques tiennent leurs promesses, il sera possible de les utiliser pour simuler n’importe quel noyau de la table. Ce serait alors une vraie révolution. »

  • 1. (1) D. Lacroix, Symmetry-Assisted Preparation of Entangled Many-Body States on a Quantum Computer, Phys. Rev. Lett. 125, 230502 (2020).
  • 2. (2) IBM Experience : https://quantum-computing.ibm.com/

Contact

Denis Lacroix
Chercheur à IJCLab
Emmanuel Jullien
Responsable de la cellule communication de l'IN2P3
Fanny Farget
DAS Nucléaire et applications