Les systèmes quantiques et le vol de l’abeille

Les “vols de prélèvement” décrivent les propriétés statistiques des aimants quantiques élémentaires ainsi que des abeilles en quête de nourriture. Crédit : Christoph Hohmann (Pôle MCQST)

À première vue, un système composé de 51 ions peut sembler facilement gérable. Mais même si ces atomes chargés ne sont changés qu’entre deux états, le résultat est supérieur à deux quadrillions (1015) différentes commandes que le système peut prendre en charge.

Le comportement d’un tel système est quasiment impossible à calculer avec des ordinateurs conventionnels, d’autant plus qu’une excitation introduite dans le système peut se propager de façon erratique. L’excitation suit un schéma statistique appelé vol de Lévy.

Une caractéristique de tels mouvements est qu’en plus des sauts plus petits auxquels on peut s’attendre, des sauts nettement plus grands ont également lieu. Ce phénomène s’observe également dans les vols d’abeilles et dans des mouvements féroces inhabituels sur le marché boursier.

Simuler la dynamique quantique : traditionnellement une tâche difficile

Alors que simuler la dynamique d’un système quantique complexe est une tâche très difficile, même pour les superordinateurs traditionnels, la tâche est un jeu d’enfant pour les simulateurs quantiques. Mais comment les résultats d’un simulateur quantique peuvent-ils être vérifiés sans la possibilité d’effectuer les mêmes calculs qu’eux ?

L’observation de systèmes quantiques a indiqué qu’il pourrait être possible de représenter au moins le comportement à long terme de tels systèmes avec des équations comme celles que les frères Bernoulli ont développées au 18ème siècle pour décrire le comportement des fluides.

Afin de tester cette hypothèse, les auteurs d’une étude publiée dans Science utilisé un système quantique qui simule la dynamique des aimants quantiques. Ils ont pu l’utiliser pour prouver qu’après une phase initiale dominée par les effets de la mécanique quantique, le système pouvait effectivement être décrit avec des équations du type familier de la dynamique des fluides.

De plus, ils ont montré que les mêmes statistiques de Lévy Flight qui décrivent les stratégies de recherche utilisées par les abeilles s’appliquent également aux processus de dynamique des fluides dans les systèmes quantiques.

Les ions capturés comme plate-forme pour les simulations quantiques contrôlées

Le simulateur quantique a été construit à l’Institut d’optique quantique et d’information quantique (IQOQI) de l’Académie autrichienne des sciences sur le campus de l’Université d’Innsbruck. “Notre système simule efficacement un aimant quantique en représentant les pôles nord et sud d’un aimant moléculaire à l’aide de deux niveaux d’énergie d’ions”, explique Manoj Joshi, scientifique de l’IQOQI Innsbruck.

“Notre plus grande avancée technique a été le fait d’avoir réussi à adresser individuellement chacun des 51 ions individuellement”, observe Manoj Joshi. “En conséquence, nous avons pu étudier la dynamique de n’importe quel nombre souhaité d’états initiaux, ce qui était nécessaire pour illustrer l’émergence de la dynamique des fluides.”

“Alors que le nombre de qubits et la stabilité des états quantiques sont actuellement très limités, il y a des questions pour lesquelles nous pouvons déjà utiliser l’énorme puissance de calcul des simulateurs quantiques aujourd’hui”, explique Michael Knap, professeur de dynamique quantique collective à l’Université technique. de Munich.

“Dans un avenir proche, les simulateurs quantiques et les ordinateurs quantiques seront des plateformes idéales pour étudier la dynamique des systèmes quantiques complexes”, explique Michael Knap. “Maintenant, nous savons qu’après un certain temps, ces systèmes suivent les lois de la dynamique des fluides classique. Tout écart important par rapport à cela indique que le simulateur ne fonctionne pas correctement.”


Manipulation des états sombres des circuits supraconducteurs dans un guide d’onde hyperfréquence


Plus d’information:
MK Joshi et al, Observation de l’hydrodynamique émergente dans un aimant quantique à longue portée, Science (2022). DOI : 10.1126 / science.abk2400. www.science.org/doi/10.1126/science.abk2400

Fourni par l’Université d’Innsbruck

Citation: Quantum systems and the flight of the bee (2022, 12 mai) récupéré le 12 mai 2022 sur https://phys.org/news/2022-05-quantum-flight-bee.html

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