Des chercheurs du MIT utilisent l’informatique quantique pour observer l’intrication

Pour la première fois, des chercheurs du MIT, de Caltech, de l’Université de Harvard et d’ailleurs ont envoyé des informations quantiques à travers un système quantique dans ce qui pourrait être compris comme traversant un trou de ver. Bien que cette expérience n’ait pas créé de perturbation de l’espace physique et du temps de la manière dont nous pourrions comprendre le terme trou de ver de la science-fiction, les calculs de l’expérience ont montré que les qubits voyageaient d’un système de particules intriquées à un autre dans un modèle de gravité. Cette expérience réalisée sur le dispositif de processeur quantique Sycamore de Google ouvre les portes à de futures expériences avec des ordinateurs quantiques pour sonder les idées de la théorie des cordes et de la physique gravitationnelle.

La simulation de systèmes quantiques à forte interaction, tels que ceux qui surviennent dans la gravité quantique, est l’une des applications les plus passionnantes des ordinateurs quantiques, déclare Daniel Harlow, professeur associé de physique Jerrold R. Zacharias en développement de carrière et chercheur au laboratoire MIT de Nuclear Science (LNS) qui travaille avec David Kolchemeyer, l’un des principaux auteurs de l’ouvrage. C’est une première étape prometteuse.

Dans un nouvel article de La nature,une équipe de physiciens, comprenant le MIT Center for Theoretical Physics (CTP) et les chercheurs du LNS Kolchmeyer et Alexander Zlokapa, présente des résultats sur une paire de systèmes quantiques qui se comportent de manière analogue à un trou de ver traversable.

Un trou de ver est un pont entre deux régions distantes de l’espace-temps. Dans la théorie classique de la relativité générale, rien n’est autorisé à passer par le trou de ver. En 2019, Daniel Jafferis et ses collaborateurs de l’Université de Harvard ont suggéré qu’un trou de ver pourrait être traversable lorsqu’il est créé par des trous noirs enchevêtrés. Kolchmeyer, un post-doctorant travaillant avec les chercheurs du CTP et du LNS Harlow et le professeur assistant Netta Engelhardt, a été conseillé par Jafferis pour son doctorat.

Ces physiciens ont découvert un mécanisme quantique pour rendre un trou de ver traversable en introduisant une interaction directe entre les régions distantes de l’espace-temps, en utilisant un simple système dynamique quantique de fermions, explique Kolchmeyer. Dans notre travail, nous avons également utilisé ces systèmes quantiques intriqués pour produire ce type de téléportation de trou de ver à l’aide de l’informatique quantique et avons pu confirmer les résultats avec des ordinateurs classiques.

Le professeur Caltechs Maria Spiropulu et Jafferis sont les auteurs principaux de la nouvelle étude, parue le 1er décembre dans La nature. Les auteurs principaux incluent Kolchmeyer et Zlokapa du MIT, ainsi que Joseph D. Lykken du Fermilab Quantum Institute and Theoretical Physics Department, et Hartmut Neven de Google Quantum AI. Parmi les autres chercheurs de Caltech et de l’Alliance pour les technologies quantiques (AQT), on compte Samantha I. Davis et Nikolai Lauk.

Action effrayante à distance

Dans cette expérience, les chercheurs ont envoyé un signal à travers le trou de ver en téléportant un état quantique d’un système quantique à un autre sur le processeur quantique Sycamore de 53 qubits. Pour ce faire, l’équipe de recherche devait déterminer les systèmes quantiques intriqués qui se comportaient avec les propriétés prédites par la gravité quantique, mais qui étaient également suffisamment petits pour fonctionner sur les ordinateurs quantiques d’aujourd’hui.

Un défi central pour ce travail était de trouver un système quantique à plusieurs corps assez simple qui préserve les propriétés gravitationnelles, explique Zlokapa, un étudiant diplômé de deuxième année en physique au MIT qui a commencé cette recherche en tant qu’étudiant de premier cycle au laboratoire Spiropulus.

Pour y parvenir, l’équipe a utilisé des techniques issues de l’apprentissage automatique, en prenant des systèmes quantiques hautement interactifs et en réduisant progressivement leur connectivité. Le résultat de ce processus d’apprentissage a produit de nombreux exemples de systèmes avec un comportement compatible avec la gravité quantique, mais chaque instance ne nécessitait qu’environ 10 qubits d’une taille parfaite pour le processeur Sycamore.

Les circuits quantiques complexes requis auraient rendu les systèmes plus grands avec des centaines de qubits impossibles à exécuter sur les plates-formes quantiques disponibles aujourd’hui, il était donc important de trouver de si petits exemples, explique Zlokapa.

Confirmé par les ordinateurs classiques

Une fois que Zlokapa et les chercheurs ont identifié ces systèmes à 10 qubits, l’équipe a inséré un qubit dans un système, appliqué une onde de choc énergétique sur le processeur, puis observé ces mêmes informations sur l’autre système quantique du processeur. L’équipe a mesuré la quantité d’informations quantiques transmises d’un système quantique à l’autre en fonction du type d’onde de choc appliquée, négative ou positive.

Nous avons montré que si le trou de ver est maintenu ouvert suffisamment longtemps par les ondes de choc d’énergie négative, un chemin causal est établi entre les deux systèmes quantiques. Le qubit inséré dans un système est en effet le même que celui qui apparaît sur l’autre système, explique Spiropulu.

L’équipe a ensuite vérifié ces propriétés et d’autres avec des calculs informatiques classiques. C’est différent de l’exécution d’une simulation sur un ordinateur classique, dit Spiropulu. Bien que l’on puisse simuler le système sur un ordinateur classique et que cela ait été fait comme indiqué dans cet article, aucun système physique n’est créé dans une simulation conventionnelle, qui est la manipulation de bits, de zéros et de uns classiques. Ici, nous avons vu l’information voyager à travers le trou de ver.

Ce nouveau travail ouvre la possibilité de futures expériences de gravité quantique avec des ordinateurs quantiques plus grands et des systèmes intriqués plus complexes. Ces travaux ne remplacent pas les observations directes de la gravité quantique, par exemple à partir des détections d’ondes gravitationnelles à l’aide de l’Observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser (LIGO), ajoute Spiropulu.

Zlokapa et Kolchmeyer souhaitent tous deux comprendre comment de telles expériences peuvent contribuer à faire progresser la gravité quantique. Je suis très curieux de voir jusqu’où nous pouvons sonder la gravité quantique sur les ordinateurs quantiques d’aujourd’hui.

Ce travail est soutenu par une subvention du programme QuantISED du Département de l’énergie du Bureau de la physique des hautes énergies sur les canaux de communication quantiques pour la physique fondamentale.