Vers un ordinateur quantique qui calcule l’énergie moléculaire

Vers un ordinateur quantique qui calcule l'énergie moléculaire

L’algorithme hybride utilise un ordinateur classique et quantique pour calculer l’énergie de l’état fondamental. Cela aidera les chercheurs à développer de nouveaux matériaux pour différentes applications, y compris les objectifs de durabilité. Crédit : Nicoletta Barolini

Les ordinateurs quantiques sont de plus en plus gros, mais il existe encore peu de moyens pratiques de tirer parti de leur puissance de calcul supplémentaire. Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs conçoivent des algorithmes pour faciliter la transition des ordinateurs classiques aux ordinateurs quantiques. Dans une nouvelle étude en Nature, les chercheurs dévoilent un algorithme qui réduit les erreurs statistiques, ou le bruit, produits par les bits quantiques, ou qubits, dans les équations chimiques de broyage.

Développé par le professeur de chimie de Columbia David Reichman et le postdoc Joonho Lee avec des chercheurs de Google Quantum AI, l’algorithme utilise jusqu’à 16 qubits sur Sycamore, l’ordinateur de 53 qubits de Google, pour calculer l’énergie de l’état fondamental, l’état d’énergie le plus bas d’une molécule. “Ce sont les plus grands calculs de chimie quantique jamais effectués sur un véritable appareil quantique”, a déclaré Reichman.

La capacité de calculer avec précision l’énergie de l’état fondamental permettra aux chimistes de développer de nouveaux matériaux, a déclaré Lee, qui est également chercheur invité à Google Quantum AI. L’algorithme pourrait être utilisé pour concevoir des matériaux pour accélérer la fixation de l’azote pour l’agriculture et l’hydrolyse pour produire de l’énergie propre, entre autres objectifs de durabilité, a-t-il déclaré.

L’algorithme utilise un Monte Carlo quantique, un système de méthodes de calcul de probabilités lorsqu’il y a un grand nombre de variables aléatoires inconnues en jeu, comme dans un jeu de roulette. Ici, les chercheurs ont utilisé leur algorithme pour déterminer l’énergie de l’état fondamental de trois molécules : l’héliocide (H4), en utilisant huit qubits pour le calcul ; azote moléculaire (Ndeux), utilisant 12 qubits ; et diamant solide, en utilisant 16 qubits.

L’énergie de l’état fondamental est influencée par des variables telles que le nombre d’électrons dans une molécule, la direction dans laquelle ils tournent et les chemins qu’ils empruntent lorsqu’ils orbitent autour d’un noyau. Cette énergie électronique est codée dans l’équation de Schrödinger. Résoudre l’équation sur un ordinateur classique devient exponentiellement plus difficile à mesure que les molécules grossissent, bien que les méthodes d’estimation de la solution aient facilité le processus. Comment les ordinateurs quantiques pourraient contourner le problème de mise à l’échelle exponentielle est une question ouverte dans le domaine.

En principe, les ordinateurs quantiques devraient être capables de gérer des calculs exponentiellement plus grands et plus complexes, comme ceux nécessaires pour résoudre l’équation de Schrödinger, car les qubits qui les composent tirent parti des états quantiques. Contrairement aux chiffres binaires, ou bits, composés de uns et de zéros, les qubits peuvent exister simultanément dans deux états. Les qubits, cependant, sont fragiles et sujets aux erreurs : plus il y a de qubits utilisés, moins la réponse finale est précise. L’algorithme de Lee exploite la puissance combinée des ordinateurs classiques et quantiques pour résoudre plus efficacement les équations chimiques tout en minimisant les erreurs de l’ordinateur quantique.

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

Un ordinateur classique peut gérer la plupart des simulations quantiques de Monte Carlo de Lee. Sycamore intervient pour la dernière étape, la plus complexe en termes de calcul : le calcul du chevauchement entre une fonction d’onde d’essai – une estimation de la description mathématique de l’énergie de l’état fondamental qui peut être implémentée par l’ordinateur quantique – et un exemple de fonction d’onde, qui fait partie du processus statistique de Monte Carlo. Ce chevauchement fournit un ensemble de contraintes, appelée condition aux limites, à l’échantillonnage de Monte Carlo, qui garantit l’efficacité statistique du calcul (pour plus de détails sur les calculs, voir le webinaire de Lee).

L’enregistrement précédent pour résoudre l’énergie de l’état fondamental utilisait 12 qubits et une méthode appelée le solveur propre quantique variationnel, ou VQE. Mais VQE a ignoré les effets des électrons en interaction, une variable importante dans le calcul de l’énergie de l’état fondamental que l’algorithme quantique de Monte Carlo de Lee inclut désormais. L’ajout de techniques de corrélation virtuelle à partir d’ordinateurs classiques pourrait aider les chimistes à s’attaquer à des molécules encore plus grosses, a déclaré Lee.

Les calculs hybrides classique-quantique de ce nouveau travail se sont avérés aussi précis que certaines des meilleures méthodes classiques. Cela suggère que les problèmes pourraient être résolus plus précisément et/ou plus rapidement avec un ordinateur quantique que sans – une étape clé pour l’informatique quantique. Lee et ses collègues continueront de peaufiner leur algorithme pour le rendre plus efficace, tandis que les ingénieurs travaillent à construire un meilleur matériel quantique.

“La faisabilité de résoudre des problèmes chimiques plus importants et plus difficiles ne fera qu’augmenter avec le temps”, a déclaré Lee. “Cela nous donne l’espoir que les technologies quantiques en cours de développement seront pratiquement utiles.”


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Plus d’information:
Joonho Lee, Montée Carlo quantique fermionique sans biais avec un ordinateur quantique, Nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-021-04351-z. www.nature.com/articles/s41586-021-04351-z

Fourni par l’Université Columbia

citation: Vers un ordinateur quantique qui calcule l’énergie moléculaire (16 mars 2022) récupéré le 17 mars 2022 sur https://phys.org/news/2022-03-quantum-molecular-energy.html

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