Une étude menée par des chercheurs de la North Carolina State University a développé une nouvelle méthode qui permet aux ordinateurs quantiques de mesurer les propriétés thermodynamiques des systèmes en calculant les zéros de la fonction de partition.
“Nous avons illustré une nouvelle façon d’obtenir les propriétés thermodynamiques d’un système, telles que l’énergie libre, l’entropie et d’autres propriétés qui sont trop complexes pour être actuellement mesurées through l’informatique traditionnelle ou quantique”, explique Lex Kemper, professeur agrégé de physique. à NC Point out et auteur correspondant d’un post décrivant le travail. “En calculant les zéros des fonctions de partition, nous sommes sur le stage de résoudre le problème de la mise à l’échelle d’un plus grand nombre de qubits lorsque nous essayons de calculer les énergies libres et les entropies dans un système donné.”
Les ordinateurs quantiques sont souvent utilisés pour étudier des systèmes complexes en raison de leur capacité à gérer des calculs volumineux au-delà de la portée des ordinateurs conventionnels. Cependant, certains problèmes, tels que la mesure de la thermodynamique ou de l’énergie libre dans un système (qui implique le calcul de son entropie), sont encore trop importants pour que même ces ordinateurs puissent les gérer efficacement.
Une fonction de partition décrit les propriétés statistiques d’un système en équilibre thermodynamique. L’énergie totale, l’énergie libre, l’entropie ou la pression d’un système peuvent être exprimées mathématiquement en termes de fonction de partition ou de ses dérivées.
Kemper et ses collègues ont utilisé un ordinateur quantique pour mesurer les zéros de la fonction de partition, plutôt que l’entropie, d’un modèle de spin lorsqu’il est réglé sur une changeover de section.
“Notre méthode saute la partie où nous calculons l’entropie en faveur de la fonction de partition”, explique Kemper. “C’est parce que la fonction de partition est une fonction génératrice – une fonction sur laquelle vous pouvez effectuer des opérations pour obtenir d’autres informations thermodynamiques telles que l’énergie interne et l’entropie.
“Nous mesurons la fonction de partition en déterminant où elle est nulle. Une fois que vous connaissez tous les zéros d’une fonction, vous connaissez la fonction entière. Étant donné que les zéros se trouvent dans le plan complexe, nous avons utilisé une correspondance entre avoir un champ magnétique complexe et le temps l’évolution pour les trouver.
Les chercheurs ont calculé la fonction de partition sur un ordinateur quantique common et à ions piégés dans le laboratoire de Norbert Linke à l’Université du Maryland. Les résultats des deux se comparaient favorablement.
“C’est un moyen d’utiliser un ordinateur quantique pour obtenir toutes les propriétés thermodynamiques d’un système sans nécessiter un grand nombre de calculs quantiques”, explique Kemper.
La recherche apparaît dans Science Innovations et est soutenue par le ministère de l’Énergie (subvention DE-SC0019469). Premier auteur de l’article, Akhil Francis est un étudiant diplômé à NC State. Norbert Linke et Chris Monroe de l’Université du Maryland Jim Freericks de l’Université de Georgetown et Sonika Johri d’IonQ ont également contribué au travail.