Demonstration of subspace-search variational quantum eigensolver using photonic orbital angular momentum qudits

Pour comprendre le monde matériel, les scientifiques doivent souvent savoir non seulement comment les atomes restent immobiles, mais aussi comment ils se comportent lorsqu'ils sont excités. Lorsqu'une molécule absorbe de l'énergie, ses électrons sautent vers des niveaux supérieurs, créant ce que l'on appelle des états excités. Ces moments éphémères sont responsables de l'éclat d'une luciole, de la couleur d'un coucher de soleil et des réactions chimiques qui alimentent la vie. Bien que les ordinateurs soient devenus très performants pour calculer l'énergie des atomes dans leur état de repos calme, déterminer l'énergie de ces états excités est resté un problème tenace. Les ordinateurs classiques peinent face à la complexité de ces niveaux d'énergie supérieurs, produisant souvent des résultats peu fiables. Cette limitation a poussé les chercheurs à se tourner vers les ordinateurs quantiques, des machines qui utilisent les règles étranges de la physique quantique pour résoudre des problèmes trop difficiles pour les superordinateurs traditionnels. Cependant, les ordinateurs quantiques disponibles aujourd'hui sont encore petits et sujets aux erreurs, ce qui rend difficile l'exécution des calculs complexes nécessaires pour trouver ces états excités.

Une équipe de chercheurs a maintenant démontré une nouvelle façon d'aborder ce problème en utilisant la lumière. Ils ont utilisé avec succès une technique appelée algorithme de recherche de sous-espace par l'eigensolver variationnel quantique (subspace-search variational quantum eigensolver) pour trouver les niveaux d'énergie des états excités dans un espace de grande dimension. Au lieu de s'appuyer sur les méthodes fragiles et sujettes aux erreurs qui nécessitent généralement des particules auxiliaires supplémentaires pour comparer les états, ils ont utilisé un circuit partagé pour traiter plusieurs états à la fois. En encodant l'information dans le mouvement tourbillonnant des particules de lumière, ils ont pu estimer les énergies d'une molécule simple et d'une chaîne d'atomes magnétiques. Ce travail montre que l'utilisation de photons pour transporter l'information quantique offre une voie pratique et efficace pour simuler des processus chimiques complexes qui étaient auparavant hors de portée.

Le défi central dans ce domaine est que trouver l'état d'énergie le plus bas d'un système est relativement simple pour les algorithmes quantiques, mais trouver les quelques niveaux d'énergie suivants est beaucoup plus difficile. Les méthodes traditionnelles nécessitent souvent que l'ordinateur effectue une série de comparaisons délicates entre différents états, un processus qui devient incroyablement difficile à mesure que le système s'agrandit. Pour contourner cela, les chercheurs se sont tournés vers une méthode connue sous le nom de subspace-search variational quantum eigensolver. Cette approche permet à l'ordinateur de traquer plusieurs niveaux d'énergie simultanément en préparant un ensemble de points de départ distincts et non chevauchants et en les faisant passer par le même processus d'optimisation. La clé pour faire fonctionner cela sur les machines imparfaites d'aujourd'hui était de trouver un moyen de préparer ces points de départ distincts sans nécessiter de séquences d'opérations profondes et complexes qui introduiraient trop d'erreurs.

L'équipe a choisi d'utiliser des photons, ou particules de lumière, comme bits quantiques. Plus précisément, ils ont utilisé une propriété de la lumière appelée moment angulaire orbital, que l'on peut concevoir comme la lumière tournant autour de son propre axe comme un tire-bouchon. En façonnant la lumière avec des motifs holographiques spéciaux, ils ont pu créer différents « torsions » qui agissaient comme des états distincts. Dans ce contexte, « orthogonal » signifie simplement que les états sont complètement indépendants les uns des autres, comme les différentes chaînes d'une radio qui n'interfèrent pas entre elles. Cette méthode leur a permis de préparer plusieurs états d'entrée de manière directe et efficace, évitant ainsi les séquences de portes profondes et sujettes aux erreurs qui affectent d'autres plateformes de calcul quantique.

Dans leur expérience, les chercheurs ont mis en place un système où un laser générait des paires de photons uniques. Un photon servait de signal pour confirmer que l'autre était prêt, tandis que le second photon était envoyé dans le processeur quantique. À l'intérieur du processeur, l'équipe a affiché des motifs holographiques spécifiques sur un modulateur spatial de lumière, un dispositif capable de modifier la forme d'un faisceau lumineux. Ces motifs préparaient le photon dans l'un des nombreux états torsadés spécifiques. Le photon passait ensuite par un second modulateur qui effectuait les mesures nécessaires pour déterminer ses propriétés énergétiques. Un ordinateur classique surveillait les résultats, ajustait les réglages des hologrammes et répétait le cycle jusqu'à ce que les valeurs d'énergie cessent de changer, indiquant que les bonnes réponses avaient été trouvées.

L'équipe a testé cette approche sur deux systèmes différents. Premièrement, ils ont modélisé une molécule simple composée d'un atome d'hélium et d'un atome d'hydrogène, connue sous le nom de HeH+. Ils ont réussi à estimer les énergies pour quatre niveaux différents de cette molécule, incluant à la fois son état fondamental et trois états excités, et ont calculé les écarts d'énergie entre leurs estimations expérimentales et les valeurs théoriques. Ils ont ensuite appliqué la méthode à un système plus complexe : une chaîne de huit atomes magnétiques interagissant entre eux, estimant les énergies des états excités pour cette chaîne de Heisenberg à huit dimensions. Dans les deux cas, les résultats expérimentaux ont fourni des estimations pour les niveaux d'énergie cibles, prouvant que la méthode fonctionne même lorsque la taille du système augmente.

Cette démonstration est significative car elle montre que les systèmes quantiques de grande dimension peuvent être explorés sans la lourde surcharge de matériel supplémentaire ou d'étapes complexes de correction d'erreurs. En utilisant les propriétés naturelles de la lumière pour encoder l'information, les chercheurs ont créé une architecture évolutive qui est bien adaptée à la génération actuelle de dispositifs quantiques. La capacité de prédire avec précision les énergies des états excités ouvre la voie à une meilleure compréhension des réactions chimiques et des propriétés des matériaux, menant potentiellement à la découverte de nouveaux médicaments ou de cellules solaires plus efficaces. Ce travail confirme que les systèmes photoniques, qui utilisent la lumière plutôt que l'électricité pour traiter l'information, constituent une voie viable et efficiente en ressources pour résoudre certains des problèmes les plus difficiles de la chimie et de la physique.