L’Université de Yale fait partie des partenaires clés du nouveau Quantum Leap Challenge Institute pour une simulation quantique robuste, un effort multi-institutionnel soutenu par la National Science Foundation (NSF) qui se concentre sur le développement de dispositifs de simulation quantique capables de comprendre, et donc d’exploiter, le riche comportement des systèmes quantiques complexes.
Avec l’Université du Maryland servant d’institution principale et financé par une subvention de 25 millions de dollars de la NSF, l’institut rassemble des informaticiens, des ingénieurs et des physiciens pour développer des concepts théoriques, concevoir du matériel innovant et fournir une éducation et une formation pour une suite de de nouveaux dispositifs de simulation capables de prédire et de comprendre les phénomènes quantiques. Outre Yale, les partenaires comprennent Duke University, Princeton University, North Carolina State University et des chercheurs du National Institute of Standards and Technology.
Crédit image : Tommologie via Wikimédia (CC BY-SA 4.0)
La simulation quantique est une étape fondamentale vers la réalisation d’un monde où les ordinateurs quantiques à usage général peuvent transformer la médecine, briser le cryptage et révolutionner les communications. Même les ordinateurs « classiques » les plus puissants d’aujourd’hui ont du mal à représenter des systèmes quantiques même relativement petits, un obstacle qui pourrait être surmonté en construisant des simulateurs quantiques de nouvelle génération.
Les chercheurs pensent qu’en évaluant les meilleures approches de la simulation quantique à petite échelle, ils peuvent fournir un plan détaillé de ce qui pourrait être les premières applications pratiques des ordinateurs quantiques. Ils ont identifié trois défis scientifiques majeurs sur lesquels concentrer leurs efforts : les méthodes de vérification de l’exactitude des simulations, l’interaction des simulateurs avec leurs environnements et le développement de simulateurs quantiques évolutifs pour les applications scientifiques et technologiques.
Pour ce faire, les chercheurs prévoient d’explorer les fondements théoriques des algorithmes quantiques et de la correction d’erreurs, en conjonction avec des implémentations expérimentales de simulateurs quantiques reconfigurables, sur quatre plates-formes matérielles de premier plan : ions piégés, matrices d’atomes de Rydberg, photonique quantique avec défauts à l’état solide et circuits supraconducteurs.
Ils envisagent une collaboration étroite entre les approches théoriques et expérimentales pour co-concevoir des protocoles de simulation à court terme avec des dispositifs actuels et de prochaine génération. Cela comprend le développement conjoint de techniques de contrôle optique et hyperfréquence sur différentes plates-formes expérimentales, permettant des progrès rapides en termes de taille et de contrôlabilité du système.
La participation de Yale à l’institut est dirigée par Shruti Puri, professeur adjoint de physique appliquée et théoricien travaillant à l’intersection de l’optique quantique et du traitement de l’information quantique. Puri appliquera son expertise pour développer des protocoles sensibles au bruit pour des simulations quantiques robustes.
Lors de la conception d’un simulateur quantique, vous souhaitez uniquement que l’utilisateur puisse interagir avec le système. Cependant, en ouvrant le système à l’utilisateur, il peut l’exposer par inadvertance à d’autres objets avec lesquels le système peut interagir de manière incontrôlable.
« Vous pouvez le considérer comme un espion essayant d’apprendre quelque chose sur votre système quantique », a déclaré Puri. « Et ce faisant, cela perturbe le système et introduit des erreurs dans le simulateur quantique. »
L’objectif de Puri est de trouver des approches efficaces pour atténuer ou supprimer complètement de tels effets.
« Le mot-clé ici est efficace, c’est-à-dire que nous voulons protéger notre système avec le moins de temps et de matériel que possible », a déclaré Puri. « À cette fin, notre objectif est d’adopter une approche ascendante qui exploite les fonctionnalités du matériel quantique sous-jacent pour concevoir des protocoles robustes pour le contrôle quantique. Chez Yale, nous combinons notre expertise en physique du matériel quantique et des protocoles de contrôle quantique pour atteindre cet objectif. »
La mission en cours du NSF Quantum Leap Challenge Institute pour la simulation quantique robuste comprendra également une forte composante éducative. Les plans prévoient une nouvelle conférence phare sur la simulation quantique et d’autres programmes de sensibilisation et d’éducation qui impliquent divers groupes d’étudiants en science quantique.
L’annonce d’aujourd’hui est la dernière d’une série de subventions fédérales établissant une cohorte de Instituts Quantum Leap Challenge à l’échelle nationale. Trois instituts Quantum Leap Challenge ont été lancés l’année dernière, avec le Quantum Leap Challenge Institute for Robust Quantum Simulation et le Quantum Leap Challenge Institute for Quantum Sensing in Biophysics and Bioengineering, dirigé par l’Université de Chicago, financés en 2021.
Alors que la science connaît actuellement une révolution quantique, la NSF mène la charge grâce à des investissements à grande échelle dans des centres qui améliorent la compréhension des phénomènes quantiques de base, des découvertes fondamentales qui se traduiront par des technologies transformatrices.
« Notre programme Quantum Leap Challenge Institutes développe les bases des sciences de l’information quantique, ainsi que les futurs étudiants, professeurs, startups et partenaires de l’industrie qui y sont engagés », a déclaré Sean L. Jones, directeur adjoint des mathématiques et de la physique de la NSF. les sciences. «Ces deux nouveaux instituts exploitent des domaines difficiles qui ont le potentiel de développer la prochaine génération d’outils qui placeront les États-Unis à la pointe de l’innovation quantique.»
La source: Université de Yale
