Algorithme de calcul quantique pourrait conduire à la conception de nouveaux matériaux

Une équipe de chercheurs de l’Université Columbia a développé un nouvel algorithme qui pourrait aider les ordinateurs quantiques à calculer l’énergie moléculaire et conduire à la conception de nouveaux matériaux. L’algorithme utilise les bits quantiques les plus importants à ce jour pour calculer l’énergie de l’état fondamental, qui est l’état d’énergie le plus bas dans un système mécanique quantique.

La nouvelle étude a été publiée dans Nature.

Calcul de l’énergie de l’état fondamental

L’algorithme a été développé par le professeur de chimie de Columbia, David Reichman, et le postdoc Joonho Lee, ainsi que des chercheurs de Google (GOOGL ) Quantum AI. Il réduit les erreurs statistiques produites par les bits quantiques dans les équations de chimie, et il utilise jusqu’à 16 qubits sur l’ordinateur Sycamore de 53 qubits de Google pour calculer l’énergie de l’état fondamental, qui est l’état d’énergie le plus bas d’une molécule.

« Ce sont les plus grands calculs de chimie quantique qui ont jamais été effectués sur un appareil quantique réel », a déclaré Reichman.

En étant capable de calculer avec précision l’énergie de l’état fondamental, les chimistes pourront développer de nouveaux matériaux. Par exemple, l’algorithme pourrait être utilisé pour concevoir des matériaux qui accélèrent la fixation de l’azote pour l’agriculture. C’est juste l’un des nombreux usages possibles en termes de durabilité, selon Lee, qui est un chercheur invité à Google Quantum AI.

L’algorithme repose sur un Monte Carlo quantique, qui est un système de méthodes pour calculer la probabilité lorsqu’il y a de nombreuses variables aléatoires et inconnues. Les chercheurs ont déployé l’algorithme pour déterminer l’énergie de l’état fondamental de trois types de molécules.

Il y a de nombreuses variables qui peuvent influencer l’énergie de l’état fondamental, telles que le nombre d’électrons dans une molécule, la direction de leur spin et les chemins qu’ils prennent lorsqu’ils orbitent autour d’un noyau. L’énergie électronique est codée dans l’équation de Schrödinger (SDGR ), qui devient extrêmement difficile à résoudre sur un ordinateur classique à mesure que les molécules deviennent plus grandes. Cependant, il existe des méthodes pour faciliter cela, et les ordinateurs quantiques pourraient éventuellement contourner ce problème d’échelle exponentielle.

Gestion de calculs plus importants et plus complexes

En principe, il devrait être possible pour les ordinateurs quantiques de gérer des calculs plus importants et plus complexes, car les qubits tirent parti des états quantiques. Les qubits peuvent exister dans deux états simultanément, ce qui n’est pas vrai pour les chiffres binaires. Cependant, les qubits sont fragiles, et à mesure que le nombre de qubits augmente, la précision de la réponse finale diminue. Lee a développé le nouvel algorithme pour exploiter la puissance combinée des ordinateurs classiques et quantiques pour résoudre ces équations complexes de manière plus efficace tout en minimisant les erreurs.

« C’est le meilleur des deux mondes », a déclaré Lee. « Nous avons exploité les outils que nous avions déjà, ainsi que les outils considérés comme de pointe dans la science de l’information quantique pour affiner la chimie computationnelle quantique », a déclaré Lee.

Le record précédent pour la résolution de l’énergie de l’état fondamental reposait sur 12 qubits et une méthode appelée solveur d’onde quantique variationnel (VQE). Le problème avec VQE est qu’il n’a pas pris en compte les effets des électrons interactifs, qui est crucial pour calculer l’énergie de l’état fondamental. Selon Lee, des techniques de corrélation virtuelle provenant d’ordinateurs classiques pourraient être ajoutées pour aider les chimistes à traiter des molécules encore plus grandes.

Les nouveaux calculs hybrides classiques-quantiques ont démontré une précision équivalente à certaines des meilleures méthodes classiques, suggérant que des problèmes complexes pourraient être résolus plus précisément et plus rapidement avec un ordinateur quantique.

« La faisabilité de résoudre des problèmes chimiques plus importants et plus complexes ne fera que s’accroître avec le temps », a déclaré Lee. « Cela nous donne espoir que les technologies quantiques en cours de développement seront pratiquement utiles. »