Simulateur quantique : un pont dont on éprouve la solidité ✛ ✎

Original: "What is a quantum simulator?"
· T. H. Johnson, S. R. Clark, D. Jaksch
arXiv:1405.2831 · 2014-05-12 · arXiv non-exclusive · analyse indépendante · 3 min
Un simulateur quantique est un dispositif qui utilise les effets quantiques pour tester des modèles de systèmes physiques.

En 1982, le physicien Richard Feynman a proposé une idée simple : pour comprendre un système quantique, il faut construire un autre système quantique qui se comporte de la même manière. C'est ainsi qu'est né le simulateur quantique, un dispositif qui ne calcule pas des équations, mais les reproduit dans son propre comportement. De même qu'un planétarium mécanique fait tourner des engrenages pour montrer le mouvement des planètes, le simulateur fait tourner ses atomes pour montrer ce qui se passe à l'intérieur d'un supraconducteur.

Mais ici se cache un piège. On peut démonter un planétarium et vérifier chaque engrenage. Or un simulateur, construit à partir de particules quantiques, obéit lui-même aux mêmes règles étranges qu'il tente d'expliquer. Comment savoir s'il ne ment pas ? Les auteurs de l'article répondent : la simulation n'est pas une simple démonstration. C'est un pont entre le modèle et la réalité, et ce pont doit être éprouvé.

La simulation est la première étape d'un processus en deux temps : d'abord, le dispositif reproduit un modèle, puis on compare ce modèle au système réel. Le calcul, lui, suppose une précision garantie et ne nécessite pas de recours à la réalité.

Pour mettre de l'ordre dans les concepts, les auteurs introduisent un critère simple. Un dispositif est considéré comme classique si son état peut être décrit sans « intrications » quantiques entre les particules, c'est-à-dire comme une liste de probabilités plutôt que comme un tout unifié. Selon ce critère, même un condensat de Bose, où des milliers d'atomes fusionnent en une seule onde, peut s'avérer être un simulateur classique, s'il fonctionne en régime de condensation. Mais dès qu'on utilise ses excitations, il devient quantique. Tout dépend de la partie de son comportement que le dispositif consacre au modèle.

Un simulateur quantique numérique avec correction d'erreurs doit être considéré comme un ordinateur, et le dispositif D-Wave, conçu pour trouver l'état fondamental du modèle d'Ising, est un ordinateur et non un simulateur, car son objectif est l'optimisation, et non l'étude d'un système physique.

La confiance accordée à un simulateur n'est pas une propriété objective, mais le résultat d'un processus de falsification : des tests, des comparaisons et une accumulation progressive de certitude. De même qu'on fait confiance à un pont après que des milliers de camions l'ont emprunté, on fait confiance à un simulateur après que ses prédictions ont coïncidé avec la réalité dans des milliers de cas.

À l'avenir, lorsque les simulateurs commenceront à surpasser les ordinateurs classiques dans des problèmes sans solutions exactes, le problème de la vérification deviendra central. Les efforts se déplaceront de la démonstration de contrôle vers le développement de méthodes pour établir la confiance : rechercher des régimes où les résultats sont sensibles aux erreurs, et comprendre quelles quantités peuvent être simulées de manière fiable. Le pont entre le modèle et la réalité devra être éprouvé à chaque fois.

Le terme « simulateur quantique » est souvent attribué à Richard Feynman, qui a suggéré en 1982 que les systèmes quantiques sont mieux modélisés par des dispositifs quantiques. Cependant, l'idée même d'utiliser un système physique pour en étudier un autre remonte aux anciens modèles mécaniques des corps célestes.

\hat{\rho}(t) = \sum_{s,i} p(\{N_{s,i}\}, t) |\{N_{s,i}\}, t\rangle\langle\{N_{s,i}\}, t|
Un dispositif est classique si son état peut être décrit par des probabilités d'occupation des modes à une particule sans cohérences entre eux.
Scientifiques
Erwin SchrödingerHugh Everett IIIDavid HilbertJohn von NeumannDavid DeutschJohn Stewart Bell
Notions
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