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Simulation informatique quantique avec circuits électroniques

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Simulation informatique quantique avec circuits électroniques

Basés sur les étranges lois de la mécanique quantique, les ordinateurs quantiques sont largement considérés comme l’avenir de l’informatique et des technologies de l’information. La nature quantique de leurs qubits, qui peuvent exister sous forme de combinaisons arbitraires de 0 et de 1, leur permet de résoudre des problèmes et d’exécuter certains algorithmes un ordre de grandeur plus rapidement que leurs homologues classiques.

Cependant, jusqu’à présent, il était extrêmement difficile de construire un ordinateur quantique fonctionnel. Ils ont besoin d’équipements et de conditions spécialisés, tels que des températures proches du zéro absolu, pour maintenir leurs qubits dans leurs états quantiques fragiles. En tant que tels, ils peuvent être sujets aux erreurs et ne tolèrent pas les perturbations de l’environnement externe.

« Le principal obstacle à la création d’un ordinateur quantique évolutif est de surmonter les erreurs environnementales et de contrôle », a expliqué Xiangdong Zhang, professeur à l’Institut de technologie de Pékin, dans un e-mail. « Les États quantiques sont très vulnérables aux interférences environnementales, ce qui conduit à… [loss of quantum states] Et des erreurs. Jusqu’à présent, aucun ordinateur quantique universel et pratique n’a été mis en œuvre.

Mais et si l’informatique quantique pouvait être simulée à l’aide de matériel peu sophistiqué ?

Pour y parvenir, Zhang et ses collègues ont proposé une nouvelle façon d’exécuter des algorithmes qui étaient auparavant considérés comme possibles uniquement avec des ordinateurs quantiques. L’idée est d’utiliser un système dont le fonctionnement est basé sur des lois beaucoup plus simples de la physique classique, mais avec la capacité d’exécuter des algorithmes de la même manière qu’un ordinateur quantique complet.

Interrupteur classique

Améliorer la stabilité des qubits en les créant dans un système physique classique permettrait aux ordinateurs quantiques de fonctionner dans une large plage de températures, d’humidité et de pressions. Cette « conversion » est rendue possible par le fait que l’équation de Schrödinger, qui décrit le comportement des systèmes quantiques, est similaire à un ensemble d’équations appelées équations de Kirchhoff, qui décrivent comment la tension et le courant fonctionnent ensemble.

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Cette similitude signifie qu’un ordinateur quantique pourrait théoriquement être simulé à l’aide de circuits électriques, éliminant ainsi les difficultés causées par les qubits spécialisés. Une façon d’y parvenir consiste à utiliser un schéma d’informatique quantique topologique, proposé par l’équipe en 2013. Leurs études Publié dans Systèmes intelligents avancés.

Les ordinateurs quantiques topologiques utilisent des matériaux topologiques, un type spécial de matériau qui possède des propriétés de transport électronique uniques liées à la disposition de ses atomes ou de ses électrons. L’essentiel est qu’ils peuvent conserver leurs propriétés particulières même dans des conditions fluctuantes, ce qui les rend très prometteurs pour l’informatique quantique.

Mais la construction d’un ordinateur quantique topologique efficace implique de nombreux défis techniques, dont certains dépassent nos capacités technologiques actuelles. Simuler son fonctionnement à l’aide d’un système beaucoup plus simple pourrait représenter un énorme pas en avant.

« Différents schémas théoriques ont été proposés pour construire des calculs quantiques topologiques », a écrit l’équipe dans son article. « Cependant, la mise en œuvre expérimentale a toujours été un défi majeur car il s’est avéré extrêmement difficile de créer et de manipuler des qubits topologiques dans des systèmes réels. »

Imitation de quasiparticules

Les qubits formés dans les ordinateurs quantiques topologiques ne sont pas des particules élémentaires, comme les électrons, les ions ou les photons utilisés dans certains ordinateurs quantiques, mais plutôt des quasiparticules appelées anyons. « Le calcul quantique topologique vise à utiliser des quasiparticules anioniques […] « Encoder et traiter les informations quantiques de manière tolérante aux pannes », a ajouté Zhang.

En général, les quasiparticules sont l’excitation collective de nombreux électrons dans la masse de la matière, comme des ondes à la surface d’un liquide constitué d’un grand nombre d’atomes. Les anyons ont la capacité unique de « se souvenir » de la trajectoire de leurs mouvements les uns autour des autres, ce qui leur permet de stocker de la mémoire à utiliser dans un système informatique quantique topologique.

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Cependant, manipuler les anions pour effectuer un calcul quantique est extrêmement difficile, ce qui rend la simulation de ce processus à l’aide d’un autre système très intéressante.

Les modes zéro de type Majorana sont un type de quasiparticule qui peut être utilisé pour imiter le comportement des anyons, en particulier leurs propriétés de tressage, qui font référence à la façon dont certains types de particules quantiques changent d’état quantique lorsqu’elles se déplacent les unes autour des autres dans l’espace.

« Les modes zéro de type Majorana sont expérimentalement la réalisation la plus simple de tous ceux qui peuvent traiter les informations quantiques de manière non triviale », a écrit l’équipe. « Cependant, la mise en œuvre pilote a été confrontée à des défis importants. »

La simulation du calcul quantique topologique nécessite que les modes zéro soient tressés plusieurs fois, un exploit qui dépasse souvent les capacités des simulateurs classiques connus.

« Non seulement le condensateur variable et l’inductance doivent être réglés avec précision en même temps, mais l’ensemble du processus d’épissage doit également être réalisé dans un délai très court », a écrit l’équipe. « C’est très difficile à réaliser expérimentalement. Comment simuler expérimentalement le calcul quantique topologique est encore un problème ouvert.

Le circuit électronique apporte la solution

Pour résoudre ce problème, l’équipe a proposé un circuit unique composé des composants habituels des ordinateurs, tels que des résistances et des condensateurs, qui imiterait le fonctionnement d’un ordinateur quantique topologique tout en étant plus résistant aux influences environnementales.

« Nous avons construit un circuit résistance-condensateur (RC) au lieu d’un circuit inductance-condensateur (LC) », ont-ils écrit. « Dans nos circuits RC conçus, la tâche ne peut être accomplie qu’en ajustant la résistance, sans ajuster soigneusement les capacités et les inductances en même temps. »

L’équipe a montré que leur configuration était effectivement capable d’exécuter des programmes informatiques adaptés aux ordinateurs quantiques, simulant avec succès un ordinateur quantique topologique. Ils ont testé ses performances en exécutant l’algorithme de Grover, un algorithme de recherche dans une base de données que d’autres ordinateurs quantiques ont pu exécuter plus rapidement et plus efficacement que les ordinateurs classiques fonctionnant sur les bits de 1 et 0.

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Plus important encore, leur configuration était tolérante aux perturbations environnementales simulées en déviant intentionnellement la tension dans leur circuit de la valeur optimale, garantissant ainsi qu’il continuait à fonctionner comme prévu.

De plus, leur ordinateur est très petit, mesurant seulement 30 x 35 cm. Le premier système quantique d’IBM Environ dix fois plus grand. De plus, alors que l’ordinateur quantique d’IBM doit fonctionner à des températures milliKelvin (inférieures à -275 degrés Celsius), le circuit développé dans la présente étude peut fonctionner à température ambiante, ouvrant ainsi la porte à des applications commerciales et industrielles.

« La technologie des circuits classiques étant relativement mature, si des algorithmes quantiques peuvent être réalisés à l’aide de circuits électriques, cela devrait éviter certains des problèmes rencontrés par les schémas quantiques, tels que l’évolutivité », a déclaré Zhang. « [Our] Ce travail prouve seulement que des schémas de simulation classiques efficaces peuvent être mis en œuvre. Nous explorerons ensuite comment créer ce type de diagramme informatique. [realizable]. Nous pensons que le délai de mise en œuvre ne sera pas long. »

« Nous pensons que les résultats de notre enquête sont particulièrement importants pour le traitement des informations du Big Data, en particulier à l’ère du Big Data où la demande en puissance de calcul est urgente », a conclu Zhang. « Sur la base des travaux existants, la construction de systèmes pratiques et robustes pour un traitement rapide de l’information au service de la société est la tendance future. »

Référence : Dewan Zhou, et al., Simulation expérimentale de l’informatique quantique topologique avec des circuits classiques, Systèmes intelligents avancés (2023). est ce que je: 10.1002/aisy.202300354

Crédit image : Geralt sur Pixabay

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Le framework CUISINES pour les projets de comparaison de modèles exoplanétaires, version 1.0

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Le framework CUISINES pour les projets de comparaison de modèles exoplanétaires, version 1.0

Illustration de la conception expérimentale générale du CREME exoMIP (Tsigaridis et al. en préparation), comme exemple de la façon dont l’exoMIP peut être structuré pour permettre une large participation communautaire. — Ph.EP astronomique

Alors que le télescope spatial James Webb commence à renvoyer des observations, il est plus important que jamais que les modèles climatiques exoplanétaires soient capables de prédire de manière cohérente et correcte l’observabilité des exoplanètes, de récupérer leurs données et d’interpréter les environnements planétaires à partir de ces données.

Les comparaisons entre modèles jouent un rôle crucial dans ce contexte, surtout à l’heure où peu de données sont disponibles pour valider les prédictions des modèles. Le groupe de travail CUISINES du Nexus for Exoplanet System Science (NExSS) de la NASA soutient une approche systématique pour évaluer les performances des modèles d’exoplanètes et fournit ici un cadre pour mener des projets d’intercomparaison de modèles d’exoplanètes organisés par la communauté (exoMIP).

Le cadre CUISINES adapte spécifiquement les pratiques de la communauté climatique terrestre pour répondre aux besoins des chercheurs exoplanétaires, y compris une gamme de types de modèles, de cibles planétaires et d’études spatiales paramétriques. Son objectif est d’aider les chercheurs à travailler collectivement, équitablement et ouvertement pour atteindre des objectifs communs.

Le cadre CUISINES repose sur cinq principes : 1) Définir à l’avance la ou les questions de recherche que exoMIP vise à aborder. 2) Créer une conception pilote qui maximise la participation de la communauté et en faire la publicité largement. 3) Planifiez un calendrier de projet qui permet à tous les membres d’exoMIP de participer pleinement. 4) Créer des produits de données à partir des résultats du modèle pour une comparaison directe avec les observations. 5) Créez un plan de gestion des données applicable aujourd’hui et évolutif à l’avenir.

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Au cours des premières années de son existence, CUISINES fournit déjà un soutien logistique à 10 exoMIP et continuera à organiser des ateliers annuels pour approfondir les commentaires de la communauté et présenter de nouvelles idées d’exoMIP.

Linda E. Sohl, Thomas J. Fuchez, Sean Domagal-Goldman, Duncan A. Christie, Russell Detrick, Jacob Haque-Misra, C.E. Harman, Nicholas Iero, Nathan J. Mayne, Costas Tsigarides, Geronimo L. Villanueva, Ambre V. Jeune, Guillaume Chaverot

Commentaires : 14 pages, deux numéros
Sujets : Astrophysique terrestre et planétaire (astro-ph.EP) ; Instruments et méthodes astrophysiques (astro-ph.IM)
Citer comme : arXiv:2406.09275 [astro-ph.EP] (ou arXiv :2406.09275v1 [astro-ph.EP] pour cette version)
Date de soumission
Qui : Linda Suhl
[v1] Jeudi 13 juin 2024, 16:14:22 UTC (903 Ko)
https://arxiv.org/abs/2406.09275
Astrobiologie

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Ingénieur – Des « mégaclusters » de satellites pourraient mettre en péril la reconstitution du trou d’ozone

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Ingénieur – Des « mégaclusters » de satellites pourraient mettre en péril la reconstitution du trou d’ozone

Le Protocole de Montréal de 1987 a réglementé avec succès les CFC nocifs pour la couche d’ozone afin de protéger la couche d’ozone, réduisant ainsi le trou d’ozone au-dessus de l’Antarctique, et une reprise est attendue dans les 50 prochaines années.

Cependant, de nouvelles recherches de Université de Californie du Sud Ecole d’Ingénieurs de Viterbi Il a montré que ces oxydes ont été multipliés par huit entre 2016 et 2022 et continueront de s’accumuler à mesure que le nombre de satellites en orbite terrestre basse (LEO) augmentera, mettant ainsi la couche d’ozone en danger dans les décennies à venir.

Les chercheurs ont expliqué que sur 8 100 objets en orbite terrestre basse, 6 000 sont des satellites Starlink lancés au cours des dernières années et que la demande d’une couverture Internet mondiale entraîne une augmentation rapide du lancement d’essaims de petits satellites de communication.

SpaceX est le leader de ce projet, avec l’autorisation de lancer 12 000 satellites Starlink supplémentaires et jusqu’à 42 000 satellites prévus. Amazon et d’autres sociétés dans le monde envisagent également de créer des constellations allant de 3 000 à 13 000 satellites, ajoutent les auteurs de l’étude.

Les satellites Internet ont une durée de vie d’environ cinq ans seulement, les entreprises doivent donc lancer des satellites de remplacement pour maintenir le service Internet, ce qui poursuit un cycle d’obsolescence programmée et de contamination imprévue, ont indiqué les chercheurs.

Les oxydes d’aluminium déclenchent des réactions chimiques qui détruisent l’ozone stratosphérique, qui protège la Terre des rayons ultraviolets. Les oxydes ne réagissent pas chimiquement avec les molécules d’ozone, mais conduisent plutôt à des réactions destructrices entre l’ozone et le chlore, conduisant à l’appauvrissement de la couche d’ozone.

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Étant donné que les oxydes d’aluminium ne sont pas consommés dans ces réactions chimiques, ils peuvent continuer à détruire molécule après molécule d’ozone pendant des décennies à mesure qu’ils dérivent dans la stratosphère, ont indiqué les chercheurs.

« Ce n’est que ces dernières années que les gens ont commencé à penser que cela pourrait devenir un problème », a déclaré Joseph Wang, chercheur en astronautique à l’Université de Californie du Sud et auteur correspondant de l’étude, dans un communiqué. « Nous avons été l’une des premières équipes à considérer les implications de ces faits. »

Puisqu’il est impossible de collecter des données sur des engins spatiaux en feu, des études antérieures ont utilisé des analyses de micrométéorites pour estimer la contamination potentielle. Cependant, les chercheurs ont indiqué que les micrométéorites contiennent très peu d’aluminium, un métal qui représente 15 à 40 % de la masse de la plupart des satellites. Ces estimations ne s’appliquent donc pas bien aux nouveaux satellites.

Au lieu de cela, les chercheurs ont modélisé la composition chimique et les liaisons au sein des matériaux satellites lors de leurs interactions aux niveaux moléculaire et atomique. Les résultats ont permis aux chercheurs de comprendre comment la matière change avec différents apports d’énergie.

L’étude a été financée par NASAIl a été constaté qu’en 2022, la rentrée des satellites a augmenté la quantité d’aluminium dans l’atmosphère de 29,5 % au-dessus des niveaux normaux.

La modélisation a montré qu’un satellite typique de 250 kg avec 30 pour cent de sa masse d’aluminium générerait environ 30 kg de nanoparticules d’oxyde d’aluminium (taille de 1 à 100 nanomètres) lors de la rentrée. La plupart de ces particules sont générées dans la mésosphère, entre 50 et 85 kilomètres (30 à 50 miles) au-dessus de la surface de la Terre.

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L’équipe a ensuite calculé que, en fonction de la taille des particules, il faudrait jusqu’à 30 ans pour que les oxydes d’aluminium dérivent jusqu’aux hauteurs stratosphériques, où se trouvent 90 % de l’ozone troposphérique.

Les chercheurs estiment qu’au moment où les constellations de satellites actuellement prévues seront achevées, 912 tonnes d’aluminium tomberont sur Terre chaque année. Cela libérerait environ 360 tonnes d’oxydes d’aluminium par an dans l’atmosphère, soit une augmentation de 646 % par rapport aux niveaux naturels.

L’étude a été publiée dans la revue en libre accès AGU Lettres de recherche géophysiqueentièrement lisible ici.

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Des chercheurs de l’Université de Californie du Sud ont prouvé que le noyau terrestre perdait de la vitesse.

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Des chercheurs de l’Université de Californie du Sud ont prouvé que le noyau terrestre perdait de la vitesse.

Le noyau interne a commencé à ralentir vers 2010, se déplaçant plus lentement que la surface de la Terre. Crédit : Université de Californie du Sud

Une nouvelle étude fournit des preuves claires que le noyau interne de la Terre a commencé à ralentir vers 2010.

Université de Californie du Sud Les scientifiques ont découvert que le noyau interne de la Terre ralentit par rapport à la surface de la planète, un phénomène qui a commencé vers 2010 après des décennies de tendance inverse. Ce changement majeur a été révélé par l’analyse de données sismiques détaillées provenant de tremblements de terre et d’essais nucléaires. La décélération est affectée par la dynamique du noyau externe liquide environnant et par l’attraction gravitationnelle du manteau terrestre, ce qui peut légèrement affecter la rotation de la Terre.

Dynamique du noyau interne

Des scientifiques de l’Université de Californie du Sud ont prouvé que le noyau interne de la Terre reculait – ralentissait – par rapport à la surface de la planète, comme le montre une nouvelle étude publiée le 12 juin dans la revue nature.

La communauté scientifique débat depuis longtemps du mouvement du noyau interne, certaines études suggérant qu’il tourne plus vite que la surface de la Terre. Cependant, des recherches récentes de l’Université de Californie du Sud montrent de manière concluante qu’à partir de 2010 environ, le noyau interne a ralenti et se déplace désormais à un rythme plus lent que la surface de la planète.

« Quand j’ai vu pour la première fois les sismogrammes qui faisaient allusion à ce changement, j’ai été mystifié », a déclaré John Vidal, professeur de géosciences au doyen de l’USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences. « Mais lorsque nous avons trouvé vingt autres observations pointant vers le même schéma, la conclusion était inévitable. Le noyau interne avait ralenti pour la première fois depuis plusieurs décennies. D’autres scientifiques ont récemment plaidé en faveur de modèles similaires et différents, mais notre dernière étude fournit la solution la plus convaincante. »

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Déclin et ralentissement relatifs

Le noyau interne est dans un état d’inversion et de rétraction par rapport à la surface de la planète car il se déplace légèrement plus lentement au lieu de plus vite que le manteau terrestre pour la première fois depuis environ 40 ans. Par rapport à sa vitesse des décennies précédentes, le noyau interne ralentit.

Le noyau interne est une boule solide de fer et de nickel entourée d’un noyau externe de fer et de nickel liquides. D’environ la taille de la Lune, le noyau interne se trouve à plus de 3 000 milles sous nos pieds et présente un défi pour les chercheurs : il ne peut être ni visité ni vu. Les scientifiques doivent utiliser les ondes sismiques des tremblements de terre pour créer des visualisations du mouvement du noyau interne.

Une nouvelle approche de l’approche itérative

Vidal et Wei Wang, de l’Académie chinoise des sciences, ont utilisé des formes d’onde et des tremblements de terre répétés, contrairement à d’autres recherches. Les tremblements de terre répétés sont des événements sismiques qui se produisent au même endroit pour produire des sismogrammes identiques.

Dans cette étude, les chercheurs ont compilé et analysé les données sismiques enregistrées autour des îles Sandwich du Sud à partir de 121 tremblements de terre répétés survenus entre 1991 et 2023. Ils ont également utilisé les données de deux essais nucléaires soviétiques entre 1971 et 1974, ainsi que des essais répétés français et américains. Expériences nucléaires issues d’autres études du noyau interne.

Vidal a déclaré que le ralentissement de la vitesse du noyau interne était causé par le balancement du noyau externe de fer liquide qui l’entoure, qui génère le champ magnétique terrestre, en plus des forces gravitationnelles des zones denses du manteau rocheux sus-jacent.

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Impact sur la surface de la Terre

Les effets de ce changement dans le mouvement du noyau interne de la surface terrestre ne peuvent que faire l’objet de spéculations. Vidal a déclaré que le retrait du noyau interne pourrait modifier la durée d’une journée de quelques fractions de seconde : « Il est très difficile de remarquer que, de l’ordre d’un millième de seconde, il se perd presque dans le bruit des océans. et l’ambiance. »

Les futures recherches menées par les scientifiques de l’USC espèrent tracer plus en détail le chemin du noyau interne afin de révéler exactement pourquoi il change.

« La danse intérieure du cœur est peut-être plus vibrante que ce que nous connaissons jusqu’à présent », a déclaré Vidal.

Référence : « Inner Core Retraction by Seismic Waveform Reflections » par Wei Wang, Jun E. Fidel, Guanying Pang, Keith D. Cooper et Ruyan Wang, 12 juin 2024, nature.
est ce que je: 10.1038/s41586-024-07536-4

Outre Vidal, les autres auteurs de l’étude comprennent Ruian Wang de l’Université de Californie du Sud Dornsife, Wei Wang de l’Académie chinoise des sciences, Guanying Pang de l’Université Cornell et Keith Cooper de l’Université de l’Utah.

Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation (EAR-2041892) et l’Institut de géologie et de géophysique de l’Académie chinoise des sciences (IGGCAS-201904 et IGGCAS-202204).

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