Les physiciens ont développé une méthode de modélisation systèmes quantiques sur les ordinateurs de tous les jours, ce qui facilite l’exécution de simulations complexes sans recourir à des superordinateurs ou intelligence artificielle (IA) outils.
La nouvelle méthode met à jour « l’approximation tronquée de Wigner » (TWA), une technique vieille de plusieurs décennies pour approximer le comportement quantique, en un raccourci plug-and-play pour résoudre des calculs complexes.
« Notre approche offre un coût de calcul nettement inférieur et une formulation beaucoup plus simple des équations dynamiques », co-auteur de l’étude Jamir Marinprofesseur adjoint de physique à l’Université d’État de New York à Buffalo, a déclaré dans un communiqué déclaration. « Nous pensons que cette méthode pourrait, dans un avenir proche, devenir le principal outil permettant d’explorer ce type de dynamique quantique sur des ordinateurs grand public. »
Une version moderne d’un semi-classique
Développée pour la première fois dans les années 1970, la TWA est une méthode de simulation « semi-classique » utilisée pour prédire le comportement quantique.
Les systèmes quantiques sont régis par les règles de mécanique quantique et impliquent généralement des particules à des échelles incroyablement petites. A ce niveau, des phénomènes comme la cohérence et enchevêtrement produire des effets qui ne peuvent être entièrement expliqués par la seule physique classique.
Étant donné que ces effets génèrent un très grand nombre de résultats possibles, leur simulation nécessite souvent une puissance de calcul massive. supercalculateur clusters ou réseaux d’IA. Pour faciliter l’étude de la dynamique quantique sur du matériel conventionnel, les physiciens utilisent souvent un cadre théorique appelé physique semi-classique.
La physique semi-classique consiste à traiter certaines parties d’une équation quantique à travers le prisme de la mécanique quantique et d’autres parties de la physique classique, permettant aux chercheurs d’évaluer le comportement d’un système quantique au fil du temps.
TWA fonctionne en transformant un problème quantique en plusieurs calculs classiques simplifiés, chacun commençant par une petite quantité de « bruit » statistique pour tenir compte de l’incertitude inhérente à la mécanique quantique. En effectuant ces calculs simplifiés et en faisant la moyenne des résultats, les chercheurs obtiennent une image suffisante de la façon dont le problème quantique se déroulerait.
Cependant, TWA a été initialement développé pour des systèmes quantiques « idéalisés » complètement isolés des forces extérieures. Cela rend les calculs beaucoup plus faciles à gérer car cela suppose que le système évolue sans interférence.
En réalité, les systèmes quantiques sont souvent ouverts et exposés aux interférences extérieures. Les particules perdent ou absorbent de l’énergie, ou perdent progressivement leur cohérence à mesure qu’elles interagissent avec leur environnement. Ces effets, connus collectivement sous le nom dynamique dissipativesortent du cadre de la TWA conventionnelle et rendent beaucoup plus difficile la prévision du comportement des systèmes quantiques.
Les chercheurs ont résolu ce problème en étendant TWA pour gérer Équations principales de Lindblad — un cadre mathématique largement utilisé pour modéliser la dissipation dans les systèmes quantiques « ouverts ». Ils ont ensuite intégré la méthode mise à jour dans un « modèle pratique et convivial » qui sert de table de conversion, permettant aux physiciens de résoudre un problème et d’obtenir des équations utilisables en quelques heures.
« De nombreux groupes ont essayé de le faire avant nous », a déclaré Marino. « On sait que certains systèmes quantiques complexes pourraient être résolus efficacement avec une approche semi-classique. Cependant, le véritable défi a été de le rendre accessible et facile à réaliser. »
La technique mise à jour rend également TWA réutilisable. Plutôt que de devoir reconstruire les mathématiques sous-jacentes à partir de zéro pour chaque nouveau problème, les physiciens peuvent saisir les paramètres de leur système dans le cadre mis à jour et les appliquer directement. Cela réduit la barrière à l’entrée et accélère considérablement les calculs, a déclaré l’équipe.
« Les physiciens peuvent essentiellement apprendre cette méthode en une journée, et au troisième jour environ, ils résolvent certains des problèmes les plus complexes que nous présentons dans l’étude », co-auteur de l’étude. Oksana Chelpanovaun doctorant à l’Université de Buffalo, a déclaré dans le communiqué.
