Ordinateur quantique appliqué à la chimie —

“Les ordinateurs quantiques pourraient en théorie être utilisés pour gérer les cas où les électrons et les noyaux atomiques se déplacent de manière plus compliquée. Si nous pouvons apprendre à utiliser leur plein potentiel, nous devrions être en mesure de repousser les limites de ce qu’il est possible de calculer et de comprendre.” dit Martin Rahm, professeur agrégé de chimie théorique au Département de chimie et de génie chimique, qui a dirigé l’étude.

Dans le domaine de la chimie quantique, les lois de la mécanique quantique sont utilisées pour comprendre quelles réactions chimiques sont possibles, quelles structures et quels matériaux peuvent être développés et quelles caractéristiques ils possèdent. De telles études sont normalement entreprises à l’aide de super-ordinateurs, construits avec des circuits logiques conventionnels. Il existe cependant une limite pour les calculs que les ordinateurs conventionnels peuvent gérer. Parce que les lois de la mécanique quantique décrivent le comportement de la nature à un niveau subatomique, de nombreux chercheurs pensent qu’un ordinateur quantique devrait être mieux équipé pour effectuer des calculs moléculaires qu’un ordinateur conventionnel.

“La plupart des choses dans ce monde sont intrinsèquement chimiques. Par exemple, nos vecteurs d’énergie, dans la biologie ainsi que dans les voitures anciennes ou nouvelles, sont constitués d’électrons et de noyaux atomiques disposés de différentes manières dans les molécules et les matériaux. Certains des problèmes que nous résoudre dans le domaine de la chimie quantique consiste à calculer lesquels de ces arrangements sont les plus probables ou les plus avantageux, ainsi que leurs caractéristiques », explique Martin Rahm.

Une nouvelle méthode minimise les erreurs dans les calculs de chimie quantique

Il reste encore du chemin à parcourir avant que les ordinateurs quantiques puissent atteindre les objectifs des chercheurs. Ce domaine de recherche est encore jeune et les petits calculs de modèles qui sont exécutés sont compliqués par le bruit de l’environnement de l’ordinateur quantique. Cependant, Martin Rahm et ses collègues ont maintenant trouvé une méthode qu’ils considèrent comme un pas en avant important. La méthode est appelée atténuation des erreurs d’état de référence (REM) et fonctionne en corrigeant les erreurs dues au bruit en utilisant les calculs d’un ordinateur quantique et d’un ordinateur conventionnel.

“L’étude est une preuve de concept que notre méthode peut améliorer la qualité des calculs de chimie quantique. C’est un outil utile que nous utiliserons pour améliorer nos calculs sur les ordinateurs quantiques à l’avenir”, déclare Martin Rahm.

Le principe de la méthode est de considérer d’abord un état de référence en décrivant et en résolvant le même problème à la fois sur un ordinateur conventionnel et sur un ordinateur quantique. Cet état de référence représente une description plus simple d’une molécule que le problème original destiné à être résolu par l’ordinateur quantique. Un ordinateur conventionnel peut résoudre rapidement cette version simplifiée du problème. En comparant les résultats des deux ordinateurs, une estimation exacte peut être faite de la quantité d’erreur causée par le bruit. La différence entre les solutions des deux ordinateurs pour le problème de référence peut ensuite être utilisée pour corriger la solution du problème d’origine, plus complexe, lorsqu’il est exécuté sur le processeur quantique. En combinant cette nouvelle méthode avec les données de l’ordinateur quantique Särimner* de Chalmers, les chercheurs ont réussi à calculer l’énergie intrinsèque de petites molécules telles que l’hydrogène et l’hydrure de lithium. Des calculs équivalents peuvent être effectués plus rapidement sur un ordinateur conventionnel, mais la nouvelle méthode représente un développement important et est la première démonstration d’un calcul de chimie quantique sur un ordinateur quantique en Suède.

“Nous voyons de bonnes possibilités de développement ultérieur de la méthode pour permettre des calculs de molécules plus grandes et plus complexes, lorsque la prochaine génération d’ordinateurs quantiques sera prête”, déclare Martin Rahm.

Ordinateur quantique construit à Chalmers

La recherche a été menée en étroite collaboration avec des collègues du Département de microtechnologie et de nanosciences. Ils ont construit les ordinateurs quantiques utilisés dans l’étude et ont aidé à effectuer les mesures sensibles nécessaires aux calculs chimiques.

“Ce n’est qu’en utilisant de vrais algorithmes quantiques que nous pouvons comprendre comment notre matériel fonctionne réellement et comment nous pouvons l’améliorer. Les calculs chimiques sont l’un des premiers domaines où nous pensons que les ordinateurs quantiques seront utiles, d’où notre collaboration avec le groupe de Martin Rahm. est particulièrement précieux », déclare Jonas Bylander, professeur agrégé en technologie quantique au Département de microtechnologie et de nanoscience.

En savoir plus sur la recherche

Lire l’article Reference-State Error Mitigation: A Strategy for High Accuracy Quantum Computation of Chemistry in the Journal de théorie chimique et de calcul.

L’article est écrit par Phalgun Lolur, Mårten Skogh, Werner Dobrautz, Christopher Warren, Janka Biznárová, Amr Osman, Giovanna Tancredi, Göran Wendin, Jonas Bylander et Martin Rahm. Les chercheurs sont actifs à la Chalmers University of Technology.

La recherche a été menée en coopération avec le Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT) et le projet européen OpensuperQ. OpensuperQ relie des universités et des entreprises de 10 pays européens dans le but de construire un ordinateur quantique, et son extension apportera un financement supplémentaire aux chercheurs de Chalmers pour leurs travaux sur les calculs chimiques quantiques.

*Särimner est le nom d’un processeur quantique à cinq qubits, ou bits quantiques, construit par Chalmers dans le cadre du Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT). Son nom est emprunté à la mythologie nordique, dans laquelle le cochon Särimner était abattu et mangé tous les jours, avant d’être ressuscité. Särimner a maintenant été remplacé par un ordinateur plus grand avec 25 qubits et l’objectif de WACQT est de construire un ordinateur quantique avec 100 qubits qui peut résoudre des problèmes bien au-delà de la capacité des meilleurs super-ordinateurs conventionnels d’aujourd’hui.