Automates cellulaires quantiques enchevêtrés, complexité physique et règles de Boucles d’Or, par Lincoln Carr

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/2111.00167 (2022)

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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19 réponses à “Automates cellulaires quantiques enchevêtrés, complexité physique et règles de Boucles d’Or, par Lincoln Carr”

  1. Avatar de timiota
    timiota

    Gasp

    Stasis and quakes ? (Stases et changements soudains).

    « Vaste sujet » comme disait l’autre.

    Pouvant naitre d’un relatif aléa en effet
    (https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2632-072X/ac718f/pdf).
    A voir quelles « rules » on met, et plus précisément à quel point ces règles sont « agnostiques ».

  2. Avatar de Khanard
    Khanard

    je n’y connais pas grand chose, mais tout cela me semble très galiléen . Subjectivité, subjectivité, vous avez dit subjectif ? Comme c’est subjectif !

  3. Avatar de Jacques Legrand
    Jacques Legrand

    Automates cellulaires quantiques enchevêtrés, complexité physique et règles de boucles d’or, sont-ce des pistes pour s’attaquer aux problèmes actuels urgents? Ces recherches proposent-elles des solutions pour combattre le réchauffement climatique et sauver le genre humain de l’extinction imminente? Car sans cela, les plus belles théories deviendront rapidement superflues voire totalement inutiles.

    3
    1. Avatar de Khanard
      Khanard

      Si vous avez suivi ce blog vous devriez savoir qu’il s’agit plutôt de remplacer le genre humain lorsque celui-ci aura disparu .
      Mais comme j’ai dit à 18h59 que je n’y connaissais pas grand chose à exactement 22h32 je n’en sais pas plus !

      1
    2. Avatar de Paul Jorion

      Vous savez quoi ? Le blues non plus ne sert absolument à rien pour lutter contre le réchauffement climatique. Eh bien, figurez-vous que vous continuerez d’en trouver ici.

      À votre bonne santé !

      1
      1. Avatar de Inox
        Inox

        Des robots joueurs de blues ! Ça c’est une idée.

        Ce ne sera pas si inutile finalement.

        1. Avatar de Pascal
          Pascal

          Le blues du robot ! 😉
          https://www.youtube.com/watch?v=eG4e9PrI26Q

          Ou plus musical

        2. Avatar de Pascal
          Pascal

          On y est presque
          https://www.youtube.com/watch?v=bAdqazixuRY
          Mais ça reste programmé par les hommes ! 😉

          1. Avatar de Inox
            Inox

            Oui en effet, il y a de nombreux exemples de musiques créés par l’IA sur le net 😊, assez impressionnant au premier regard. Mais à mon humble avis, l’intervention humaine est encore beaucoup trop présente.

            Difficile de trouver un exemple convaincant 100% IA.

            1. Avatar de Pascal
              Pascal

              A priori, ce sera difficile de trouver du 100% IA. On est plus dans de la co – écriture :
              https://urbania.ca/article/voici-5-chansons-composees-par-lintelligence-artificielle-oui-cest-un-peu-terrifiant

            2. Avatar de BasicRabbit
              BasicRabbit

              Du quantique au cantique il n’y a que deux lettres qui changent! Plus sérieusement(?) je remarque -en pur béotien autodidacte de la chose- que des rapports entre la physique quantique et le fonction zêta de Riemann semblent actuellement de plus en plus nombreux. Et l’on sait que la fonction zêta est liée à la série harmonique 1+1/2+1/3+1/4+… qui, elle, est liée à l’harmonie musicale : 1-1/2=1/2 (octave), 1-1/3=2/3 (quinte), 1-1/4=3/4 (quarte).

              Premier article trouvé sur la toile (je n’ai pas cherché plus loin) : https://actualite.housseniawriting.com/mathematiques/2022/02/18/un-physicien-traduit-la-fonction-zeta-de-riemann-en-theorie-quantique-des-champs/32293/

      2. Avatar de Jacques Legrang
        Jacques Legrang

        @PJ
        Le blues est indispensable pour exprimer son émotion face au cataclysme climatique et la fin du genre humain. Mais il est fort probable que l’ I. A. qui devrait nous succéder s’en passera très bien.

  4. Avatar de amateur
    amateur

    Si j’ ai bien retenu vos leçons , « créer un générateur de nombres aléatoires  » est un oxymore mathématique .

  5. Avatar de juannessy
    juannessy

    Mon seul suivi du sujet ordinateur quantique depuis que j’ai à peu près compris en quoi il différait d’un ordinateur  » classique » , repose sur la lecture des articles de vulgarisation depuis l’annonce du Plan Quantique par Emmanuel Macron . Par contre celles et ceux qui participent à cette aventure ( cruciale) ont peut être des lueurs sur ce billet ( et je dois dire que je ne savais pas ce qu’étaient les règles de boucles d’or avec aujourd’hui ) . Ça a déjà 6 mois :

    https://www.lemagit.fr/actualites/252511631/Ordinateur-quantique-la-France-se-dote-dune-plateforme-hybride

  6. Avatar de Dup
    Dup

    On dirait une oeuvre posthume de Matthieu Messagier. 🙂

  7. Avatar de timiota
    timiota

    Pour ce que j’en entrevois, les « breathers » sont des structures peu ou pas dissipatives apparaissant dans les phénomènes hors d’équilibre,
    et qui ont une forme d’oscillation (« respiration »).
    C’est relié d’assez près aux solitons (https://en.wikipedia.org/wiki/Breather), car la nonlinéarité dont on va parler implique des amplitudes élevées, et une concentration locale d’énergie.

    L’approche au niveau « un » de la turbulence, c’est par exemple de dire avec Kolomogorov (théorie de 1941) qu’il y a cascade d’énergie avec une loi de densité en k^-5/3
    où k est « 1/l’échelle », le vecteur d’onde autrement dit, ou la fréquence spatiale (cela existe toujours, par la Transfo de Fourier).
    (je viens de réviser https://fr.wikipedia.org/wiki/Cascade_turbulente), qui est une conséquence de la non-linéarité des eqns de Navier-Stokes
    (la base de la « méca-flotte »), dans le terme inertiel du type u*(du/dx)
    L’énergie est dissipée, on sait comment chaque échelle cause à l’échelle plus petite suivante (tourbillons de + en + petits),
    et en plaidant une forme de « cohérence » de tout ça (chaque échelle reçoit d’une plus grande autant qu’elle envoie à une pus petite), on parvient à ce type de loi.
    Au passage, on voit que les termes non-linéaires dans ce cadre sont d’autant plus dominants que u est élevé, cf le petit mot sur les solitons au-dessus.

    Si on va voir un certain nombre de phénomènes non linéaires, on ne trouve pas qu’une cascade de petits tourbillons « dissipatifs » (décroissants individuellement), mais des structures oscillantes (et dissipatives toujours, pas de miracle, on est en flux d’énergie entre des sources quelques part et un grand évier à énergie « en bas »), ou « respirantes », les « breathers.

    D’où, il me semble, la question de savoir déjà si les « breathers » se portent bien ou pas dans un cadre quantique et non classique, c’est-à-dire quand les fonctions d’onde et leur phase ont encore leur mot à dire.
    (sinon, la quantité de matière d’un fluide classique, c’est le |\psi|² de la probabilité de présence, le bien-connu « nuage électronique » et tutti quanti(que), et la phase de l’onde quantique n’entre pas en jeu;
    les ordinateurs quantiques reposent d’une façon ou d’une autre sur des traitements des phases d’ensemble d’objets individuels (atomes, photons); avec cette précaution du monde quantique qu’on ne peut avoir à la fois une phase et un « nombre de particule » bien défini. Si vous savez qu’un objet qui vient de faire « cliquer » un détecteur est un photon unique, alors il n’a plus de phase (une variante de la relation d’incertitude entre position et vitesse). Ce qui donne quelques migraines par rapport aux situations classiques.
    Par exemple (expériences de type Hong-Ou-Mandel, dites HOM), on envoie deux « photons garantis uniques » sur une lame séparatrice, dont on ressort, en physique classique à 50/50 d’un côté ou de l’autre (un miroir partiel, rien de mystérieux dans cette « lame séparatrice, la surface d’une vitre fait l’affaire sous un angle de ~80 à 85° pour que ce soit 50/50, sinon c’est 5/95 ou 10/90, ça se voit dans le métro, l’image de votre voisin de siège dans la vitre est assez peu atténuée, celle du siège d’en face l’est davantage, cf « coefs de Fresnel »), et bien avec les « deux photons garantis uniques », s’ils sont bien envoyé « en même temps », vont ressortir … tous les deux du même côté (au hasard un des deux). C’est la signature usuelles des « photons uniques », ce qu’on appelle du « bunching », ou groupement de photon, ou de l’anti-bunching si on a mis un détecteur de chaque côté de la séparatrice et qu’on attend un click commun aux deux : plus rien si les deux photons étaient uniques et étaient à cet endroit « en même temps » (à l’échelle temporelle du détecteur disons, en très gros le cm ou le mm traduit en déplacement à la vitesse c).

    La physique des systèmes compliqués et quantique recoupe beaucoup la physique atomique et la physique des solides en ce moment. Dans le premier cas, on fait des condensats de Bose-Einstein, qui ont des équations d’état spéciales (les perturbations induisent des trucs bizarres, comme les vortex dans les supraconducteurs en gros, équation de Gross-Pitaevsky pour les intimes). Dans le second cas, ben j’ai déjà vendu la mèche des supra-conducteurs, mais il y a une tripotée de matériaux où les électrons ne sont ni bien rangés (comme dans NaCl chacun sur son atome au garde à vous, avec même celui piqué à Na par Cl au garde à vous chez lui), ni en soupe (comme dans les métaux: Cu, Ag, or, aluminium, étain,…), mais « fortement corrélés », du genre qu’on peut imaginer en regardant les voitures à 18h30 un jour de retour de week-end autour de Paris. Ca se bloque pas paquet, les feux qui ne faisaient que des rétentions minimes en font des géantes, mais pas forcément avec un « pattern » évident). Ce domaine est une frontière dans le savoir sur la matière condensée, il n’a cessé de donner des choses inattendues depuis 20 ans. Le graphène n’est pas très loin, les supra « haute Tc » non plus (plans conducteurs CuO2), le VO2 (transition métal-isolant à 70°C), les « isolants topologiques », le MgB2,… )

    1. Avatar de BasicRabbit
      BasicRabbit

      Je ne me suis jamais intéressé « professionnellement » à ces choses, seulement par curiosité. Je m’y intéresse maintenant encore -à 76 ans- du point de vue d’un apprenti philosophique autodidacte, à travers mon prisme thomien : « Il faut être philosophe en science et scientifique en philosophie », martèle mon gourou.

      Thom s’est beaucoup intéressé à la mécanique quantique. Il a écrit quelques articles -certains techniques- à ce sujet, et a toujours cherché à la géométriser, seul moyen, selon lui, de la rendre intelligible. On trouve un aperçu significatif de sa façon de voir les choses en 1985 (il est mort en 2002) dans sa conférence « Hasard, déterminisme et innovation » (1, de 25’20 à 37′).

      Ce qui m’a donné envie de commenter ici, c’est votre allusion aux condensats de Bose-Einstein et aux « atomes » en nuage ou en soupe. Car ça m’a fait me souvenir d’un article philosophique intitulé « Les réels et le calcul différentiel, ou la mathématique essentielle » (que l’on trouve dans le recueil « Apologie du logos ») où, à mon étonnement, Thom parle ainsi des bosons et des fermions (après avoir « mathématisé » le temps et l’espace):

      « Terminons ces considérations sur l’ontogenèse des mathématiques par une remarque de physique. Nous avons invoqué deux phénomènes pour justifier la construction de l’espace réel: la résonance qui synchronise des oscillateurs couplés d’une part, de nature temporelle; et la collision entre individus qui, elle, permet la définition des chemins de létalité, et par suite la construction des espaces. Fort spéculativement, on associera ces deux processus aux deux grands types de particules connus en physique: bosons et fermions. Les bosons, de nature essentiellement radiative, ont tendance à s’associer en champs où ils deviennent indiscernables et non localisables, effet dû à la résonance. les fermions, de nature essentiellement spatiale, matérielle, devraient leur caractère répulsif et individualiste au phénomène de répulsion qui les sépare… ».

      Thom martèle que les grandes découvertes ont été faites par ceux qui avaient la capacité de s’identifier à autre chose, à autrui, à « se mettre dans la peau des choses ». Se mettre dans la peau d’un boson ou d’un fermion pour comprendre la mécanique quantique?

      Une analogie politique (2): réfléchir à mettre les bosons un peu plus en valeur dans un monde -le nôtre!- essentiellement régi par le « struggle for life », selon moi typiquement fermionique?

      1: https://www.youtube.com/watch?v=BXxKQVQFnRo

      2: La théorie des catastrophes est, selon Thom lui-même, un théorie de l’analogie, qui, selon moi, licite ma citation thomienne favorite :

      « Les situations dynamiques régissant l’évolution des phénomènes naturels sont fondamentalement les mêmes que celles qui régissent l’évolution de l’homme [et, pour moi -je rajoute, « évidemment » des espèces] et des sociétés. »

  8. Avatar de Jacques Racine
    Jacques Racine

    Cool ! Merci !
    Ps: Si je peux me permettre ici un petit erratum : Hippocrate est réellement né 36 ans après la mort de Sun Zi… je devais être fatigué ! Il n’empêche que le serment d’Hippocrate est toujours d’actualité !
    https://www.pauljorion.com/blog/2022/03/23/ukraine-23-mars-en-deux-mots/comment-page-1/#comment-902305

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