Automates cellulaires quantiques enchevêtrés, complexité physique et règles de Boucles d’Or
Lincoln Carr
Programme d’ingénierie quantique, département de physique, Colorado School of Mines
P.J. C'est quoi en français un entangled breather ?
Les automates cellulaires sont des bits classiques en interaction qui présentent divers comportements émergents, des fractales aux générateurs de nombres aléatoires en passant par les calculs complets de Turing. Nous découvrons que les automates cellulaires quantiques (ACQ) peuvent présenter une complexité au sens de la science de la complexité qui décrit la biologie, la sociologie et l’économie. Les QCA font preuve de complexité lorsqu’ils évoluent selon les « règles de Boucles d’Or » que nous définissons en équilibrant l’activité et la stase. Nos règles de Boucles d’Or génèrent des caractéristiques dynamiques robustes (respirateurs enchevêtrés), une structure et une dynamique de réseau compatibles avec la complexité, ainsi que des fluctuations d’entropie persistantes. Les plates-formes expérimentales actuelles – réseaux de Rydberg, ions piégés et qubits supraconducteurs – peuvent mettre en œuvre nos protocoles Boucle d’or, ce qui rend vérifiable le lien entre la science de la complexité et l’informatique quantique exposé par notre ACQ.
L’incapacité des ordinateurs classiques à simuler de grands systèmes quantiques est un obstacle à la compréhension de la physique de l’ACQ, mais les ordinateurs quantiques offrent une plate-forme de simulation idéale. Si le temps le permet, je discuterai de notre récente réalisation expérimentale de l’ACQ sur un processeur quantique numérique, qui simule une règle de Boucle d’Or unidimensionnelle sur des chaînes de jusqu’à 23 qubits supraconducteurs. En utilisant des techniques d’étalonnage et d’atténuation des erreurs à faible coût, nous calculons la dynamique de la population et les mesures de réseaux complexes indiquant la formation de réseaux d’information mutuelle à petite échelle. Contrairement aux états aléatoires, ces réseaux décohèrent à une profondeur de circuit fixe indépendante de la taille du système, dont le plus grand correspond à 1 056 portes à deux qubits. Ces calculs pourraient ouvrir la voie à l’utilisation de l’ACQ dans des applications telles que la simulation de la matière fortement corrélée ou les démonstrations de calcul au-delà de la classe.
Références :
1.LE Hillberry, MT Jones, DL Vargas, P Rall, N Yunger Halpern, N Bao, S Notarnicola, S Montangero, LD Carr, “Entangled quantum cellular automata, physical complexity, and Goldilocks rules,” Quantum Science and Technology, v. 6, p. 045017 (2021)
2. EB Jones, LE Hillberry, MT Jones, M Fasihi, P Roushan, Z Jiang, A Ho, C Neill, E Ostby, P Graf, E Kapit, and LD Carr, “Small-world complex network generation on a digital quantum processor,” Nature Communications in press, https://arxiv.org/abs/2111.
3. LE Hillberry, M Fasihi, L Piroli, N Yunger Halpern, T Prosen, and LD Carr, “Thermodynamics, scrambling, chaos, and integrability in quantum cellular automata,” in preparation (2021)
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