Amazon Braket lance Aquila, le premier processeur quantique à atome neutre de QuEra Computing de 256 qubits, pour simuler des phénomènes quantiques dans la nature

Les chercheurs en informatique quantique doivent avoir accès à différents types de matériel quantique, qu'il s'agisse d'unités de traitement quantique (QPU) numériques, également appelées "gate-based", ou de dispositifs analogiques capables de résoudre des problèmes spécifiques difficiles à résoudre avec des ordinateurs classiques.

Amazon Braket, le service d'informatique quantique d'AWS, continue de respecter son engagement à offrir ce choix en lançant Aquila, illustré dans la figure 1 ci-dessous, un nouveau QPU à atome neutre de QuEra Computing de 256 qubits. En tant que dispositif à usage spécial conçu pour résoudre des problèmes d'optimisation et simuler des phénomènes quantiques dans la nature, il permet aux chercheurs d'explorer un nouveau paradigme analogique de l'informatique quantique.

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Simulation analogique d'hamiltoniens

Le QuEra QPU est le premier dispositif disponible sur Amazon Braket capable de réaliser un paradigme de calcul quantique connu sous le nom de simulation Hamiltonienne analogique (AHS). L'AHS fait référence à la capacité d'encoder un problème d'intérêt dans un objet mathématique connu sous le nom de Hamiltonien. L'hamiltonien représente les niveaux d'énergie d'un système quantique tel que des spins en interaction sur un réseau. L'ordinateur est ensuite réglé de manière à simuler directement l'évolution en temps continu du système quantique sous cet hamiltonien.

Dans les ordinateurs quantiques traditionnels basés sur des portes, les utilisateurs peuvent programmer des portes agissant directement sur les qubits. Les processeurs quantiques tels que les Oxford Quantum Circuits ou les dispositifs Rigetti sur Amazon Braket fonctionnent de cette manière, avec des qubits constitués des états fondamental et excité d'un oscillateur anharmonique. Le QPU de QuEra fonctionne en piégeant des atomes à l'aide de lasers, en les plaçant dans des dispositions programmables à une ou deux dimensions et en induisant des interactions interatomiques via les forces de van der Waals.

Le qubit est constitué de l'état fondamental de l'atome et d'un état hautement excité, appelé état de Rydberg. En excitant les atomes de l'état fondamental à l'état excité, le QuEra QPU est capable de réaliser un phénomène connu sous le nom de blocage de Rydberg, par lequel les états quantiques des qubits voisins sont fixés par l'état d'un qubit de contrôle. En outre, les clients peuvent régler dynamiquement les paramètres du champ moteur, contrôlant ainsi les états des qubits et leurs interactions.

Que peut-on faire avec le QuEra QPU ?

Le QuEra QPU est un dispositif à usage spécial, qui échange la capacité d'effectuer des calculs universels ou basés sur des portes contre la capacité de résoudre efficacement des tâches spécifiques. La flexibilité de l'arrangement des atomes et l'accordabilité des contrôles optiques permettent à Aquila de réaliser une classe riche d'hamiltoniens. Les clients peuvent explorer les propriétés statiques et dynamiques des états quantiques sous ces Hamiltoniens par évolution quantique adiabatique ou diabatique. À ce jour, l'hamiltonien réalisé par le QuEra QPU a déjà été utilisé pour étudier plusieurs questions scientifiques d'intérêt en matière condensée et en physique quantique à plusieurs corps. Un de ces exemples est l'observation de l'émergence d'une phase liquide de spin, un état de la matière avec un ordre topologique non-local. Ces phases sont difficiles à étudier numériquement en raison de la taille des systèmes nécessaires pour démontrer l'ordre non-local. Le QPU de QuEra permet aux clients de programmer des géométries de réseau complexes telles que le réseau de Kagome avec jusqu'à 256 qubits, une taille de système suffisamment grande pour explorer ces nouveaux états.

"Les dispositifs quantiques analogiques à usage spécifique sont susceptibles de surpasser le calcul classique pour la simulation directe d'autres systèmes quantiques avant que nous ne réalisions un ordinateur quantique universel tolérant aux pannes", a déclaré Ignacio Cirac, directeur et chef de la division Théorie de l'Institut Max Planck d'optique quantique (MPQ). "Au sein de la division Théorie du MPQ, nous sommes enthousiasmés par le lancement du dispositif QuEra sur Amazon Braket qui permet à notre équipe de chercheurs d'expérimenter et de poursuivre de nouvelles idées dans le domaine de la simulation quantique analogique."

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Les utilisateurs d'Aquila ne sont pas limités à des géométries de treillis spécifiques, ni à la disposition des qubits selon un schéma régulier, comme le montre la figure 2 ci-dessus. En plus des systèmes multiparticulaires fortement corrélés, les scientifiques ont pu montrer que les processeurs à atomes neutres tels qu'Aquila sont adaptés à l'agencement d'atomes dans des motifs graphiques et à la résolution de certains problèmes d'optimisation combinatoire. Plus précisément, ces machines peuvent coder le problème de l'ensemble indépendant maximal (MIS), qui a de vastes applications en optimisation, telles que l'allocation des ressources, la conception de réseaux et autres.

Le problème MIS peut être considéré comme un problème variationnel qui peut être calculé à l'aide de cycles d'optimisation itératifs combinant un hybride d'opérations quantiques et classiques. Avec le lancement du QuEra QPU sur Amazon Braket, les chercheurs peuvent exploiter les emplois hybrides d'Amazon Braket pour étudier les algorithmes hybrides à l'aide d'Aquila.

Comment démarrer

Il y a plus de quarante ans, Richard Feynman a proposé d'exploiter les ordinateurs quantiques pour simuler la nature à l'échelle quantique. C'est exactement ce que fait Aquila, le QPU à atomes neutres disponible sur Amazon Braket : il utilise un système intrinsèquement quantique, des atomes sur un réseau accordable, pour résoudre des problèmes spécifiques qui intéressent une large communauté de chercheurs. Aquila est maintenant disponible dans la région de la Virginie du Nord (us-east-1), et on peut y accéder en utilisant le même SDK et les mêmes API d'Amazon Braket que vous utilisez pour accéder aux autres QPUs. Créez votre programme AHS localement ou via les carnets Jupyter gérés.

Source : Amazon

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