Des physiciens ont développé un nouvel algorithme d’inspiration quantique qui permettrait de traiter quasi instantanément un problème de matériau qui dépasserait largement les limites des plus puissants supercalculateurs existants. L’algorithme utilise une architecture spéciale dite de « réseaux de tenseurs » pour encoder des quasicristaux topologiques dont la simulation nécessiterait plus d’un quadrillion de nombres. L’approche pourrait avoir de multiples applications dans le développement de matériaux quantiques haute performance et d’autres technologies quantiques.
Les technologies quantiques reposent sur des matériaux complexes spécifiques présentant des comportements inhabituels dans certaines conditions, de sorte à pouvoir transporter l’information et de préserver les états quantiques. Pour développer ces matériaux, les physiciens modifient précisément leur structure afin de faire émerger de nouvelles propriétés quantiques.
Parmi les procédés utilisés figure notamment l’empilement et la torsion de feuilles de graphène pour former un motif de moiré, un motif spécifique provoquant un effet de contraste changeant indépendamment des effets d’ombre lorsque le matériau se déforme. Ce type de motif apparaît lorsqu’un matériau semi-transparent à structure répétitive est superposé à un autre. Dans le cas du graphène, les motifs de moiré formés par les couches superposées peuvent, selon l’angle de torsion et les conditions expérimentales, conférer au matériau des propriétés supraconductrices.
Les technologies quantiques nécessitent cependant des matériaux plus complexes tels que les quasicristaux et les matériaux super-moirés. Les quasicristaux présentent un spectre de diffraction essentiellement discret, à l’instar des cristaux classiques, mais ne possèdent pas de structure périodique. Leur niveau de complexité est tel que leur simulation mathématique nécessiterait plus d’un quadrillion de nombres correspondant aux paramètres nécessaires à une simulation complète, une échelle bien au-delà des capacités des supercalculateurs existants.
Les réseaux de tenseurs, nouvelle voie pour modéliser les quasicristaux
Un groupe de physiciens affirme avoir développé un nouvel algorithme de type quantique qui permettrait de modéliser ces matériaux complexes presque instantanément. « Ces nouveaux algorithmes quantiques peuvent permettre le développement de nouveaux matériaux quantiques pour construire de nouveaux paradigmes d’ordinateurs quantiques, créant ainsi une boucle de rétroaction bidirectionnelle productive entre les matériaux quantiques et les ordinateurs quantiques », explique José Lado, professeur adjoint au département de physique appliquée de l’Université d’Aalto, en Finlande.
Pour mettre au point leur nouvel algorithme, Lado et ses collègues se sont concentrés sur les quasicristaux topologiques, un type de quasicristaux capable de transporter des excitations quantiques non conventionnelles. Ces excitations sont particulièrement intéressantes car elles contribuent à protéger la conductivité électrique contre les perturbations et les interférences externes. Elles sont cependant réparties de manière aléatoire et hétérogène au sein de la structure déjà très complexe du quasicristal.
Plutôt que de tenter de calculer directement la structure complète du quasicristal topologique, les chercheurs ont adapté le problème en utilisant des méthodes similaires à celles employées par les ordinateurs quantiques.
« Les ordinateurs quantiques fonctionnent dans des espaces de calcul exponentiellement grands. Nous avons donc utilisé une famille spéciale d’algorithmes, les réseaux de tenseurs, pour encoder ces espaces et calculer un quasicristal comportant plus de 268 millions de sites », explique Tiago Antão, doctorant à l’Université d’Aalto et auteur principal de l’étude — détaillée dans la revue Physical Review Letters.
D’après les chercheurs, l’algorithme a permis de réduire considérablement le temps de calcul nécessaire au traitement d’un quasicristal topologique. « Notre algorithme montre comment des problèmes colossaux en physique quantique peuvent être résolus directement grâce à l’accélération exponentielle obtenue en encodant le problème comme un système quantique à N corps », indique Antão.
Il convient toutefois de noter que ces résultats restent théoriques dans la mesure où ils ont été extrapolés uniquement à partir de simulations. Néanmoins, des applications expérimentales pourraient être explorées au cours des prochaines années. Ces résultats pourraient à terme contribuer au développement de matériaux électroniques sans dissipation, c’est-à-dire capables de conduire l’électricité sans perte d’énergie, et permettre ainsi d’optimiser la consommation énergétique de systèmes informatiques tels que les centres de données dédiés à l’IA.
En outre, « l’algorithme d’inspiration quantique que nous avons mis au point nous permet de créer des quasicristaux super-moirés dont les performances dépassent de plusieurs ordres de grandeur celles des méthodes conventionnelles. Il s’agit d’une étape cruciale vers la conception de qubits topologiques à base de matériaux super-moirés, destinés par exemple à être utilisés dans des ordinateurs quantiques », indique Lado. L’algorithme pourrait par ailleurs être adapté pour fonctionner sur des ordinateurs quantiques une fois ceux-ci suffisamment développés.
