Les algorithmes quantiques permettent de gagner du temps dans le calcul de la dynamique des électrons

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Les chercheurs ont étudié la capacité des algorithmes informatiques quantiques connus pour l’informatique quantique tolérante aux pannes à simuler la dynamique électronique pilotée par laser des processus d’excitation et d’ionisation dans les petites molécules. Leurs recherches sont publiées dans le Journal de théorie chimique et de calcul.

« Ces algorithmes d’ordinateur quantique ont été développés à l’origine dans un tout autre contexte. Nous les avons utilisés ici pour la première fois pour calculer les densités électroniques des molécules, en particulier leur évolution dynamique après excitation par une impulsion lumineuse », explique Annika Bande, qui dirige un groupe en chimie théorique à l’Association Helmholtz des centres de recherche allemands (HZB). Bande et Fabian Langkabel, qui fait son doctorat avec elle, montrent dans l’étude à quel point cela fonctionne.

« Nous avons développé un algorithme pour un ordinateur quantique fictif, complètement sans erreur et l’avons exécuté sur un serveur classique simulant un ordinateur quantique de dix qubits », explique Langkabel. Les scientifiques ont limité leur étude à des molécules plus petites afin de pouvoir effectuer les calculs sans véritable ordinateur quantique et de les comparer aux calculs classiques.

Les algorithmes quantiques ont produit les résultats attendus. Contrairement aux calculs conventionnels; cependant, les algorithmes quantiques conviennent également au calcul de molécules beaucoup plus grosses avec les futurs ordinateurs quantiques.

« Cela a à voir avec les temps de calcul. Ils augmentent avec le nombre d’atomes qui composent la molécule », explique Langkabel. Alors que le temps de calcul se multiplie avec chaque atome supplémentaire pour les méthodes classiques, ce n’est pas le cas pour les algorithmes quantiques, ce qui les rend beaucoup plus rapides.

Photocatalyse, réception lumineuse et plus

L’étude montre ainsi une nouvelle façon de calculer les densités d’électrons et leur « réponse » aux excitations lumineuses à l’avance, avec une résolution spatiale et temporelle très élevée. Cela permet, par exemple, de simuler et de comprendre les processus de désintégration ultrarapide, qui sont également cruciaux dans les ordinateurs quantiques constitués de boîtes dites quantiques.

De plus, des prédictions sur le comportement physique ou chimique des molécules sont possibles, par exemple lors de l’absorption de la lumière et du transfert ultérieur de charges électriques.

Cela pourrait faciliter le développement de photocatalyseurs pour la production d’hydrogène vert avec la lumière du soleil ou aider à comprendre les processus dans les molécules réceptrices sensibles à la lumière dans l’œil.

Plus d’information:
Fabian Langkabel et al, Algorithme de calcul quantique pour la dynamique exacte des électrons pilotés par laser dans les molécules, Journal de théorie chimique et de calcul (2022). DOI : 10.1021/acs.jctc.2c00878

Fourni par l’Association Helmholtz des centres de recherche allemands

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