En utilisant toutes les capacités de l’ordinateur quantique Quantinuum H1-1, les chercheurs du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie ont non seulement démontré les meilleures pratiques de calcul scientifique sur les systèmes quantiques actuels, mais ont également produit un résultat scientifique intrigant.
En modélisant la fission singulet – dans laquelle l’absorption d’un seul photon de lumière par une molécule produit deux états excités – l’équipe a confirmé que les niveaux énergétiques de la molécule H4 linéaire correspondent aux exigences du processus de fission. La molécule H4 linéaire est, tout simplement, une molécule composée de quatre atomes d’hydrogène disposés de manière linéaire.
Les niveaux énergétiques d’une molécule sont les énergies de chaque état quantique impliqué dans un phénomène, comme la fission singulet, et comment ils se rapportent et se comparent les uns aux autres. Le fait que les niveaux énergétiques de la molécule linéaire soient propices à la fission singulet pourrait s’avérer être une connaissance utile dans l’effort global de développement de panneaux solaires plus efficaces.
« C’est l’un des principaux facteurs de motivation derrière la fission singulet – les cellules solaires conventionnelles ont une efficacité maximale théorique d’environ 33 %, mais il a été postulé que les matériaux qui présentent une fission singulet peuvent dépasser cette limite et peuvent être plus efficaces », a déclaré Daniel. Claudino, chercheur au sein du groupe Quantum Computational Science de l’ORNL et chercheur principal du projet. « L’inconvénient est qu’il est très difficile de comprendre fondamentalement si un certain matériau présente une fission singulet. Il existe une exigence énergétique spécifique et il est difficile de trouver des matériaux qui la remplissent. »
Avec sa grande précision pour un coût de calcul gérable, l’approche de l’équipe ORNL à l’aide d’un ordinateur quantique fournit une méthode de simulation efficace pour identifier les molécules qui démontrent des propriétés de fission singulet tout en contournant les approximations couramment trouvées dans les techniques utilisées pour les ordinateurs classiques. Les résultats de ses travaux ont été publiés dans Le Journal des lettres de chimie physique.
La fission singulet étant un phénomène multi-états, l’équipe de l’ORNL avait besoin d’une méthode de calcul capable de décrire tous les états quantiques du processus sur un pied d’égalité pour calculer des valeurs énergétiques précises. Ils se sont tournés vers PDS, qui est un solveur quantique basé sur l’approche Peeters-Devreese-Soldatov et développé au Pacific Northwest National Laboratory.
Le PDS présente certains avantages par rapport aux stratégies classiques pour déterminer les propriétés énergétiques d’un matériau, notamment une précision beaucoup plus élevée que la théorie de la fonctionnelle de la densité et moins de demandes de calcul que la théorie des clusters couplés. Et, parce qu’il a été développé pour améliorer la précision et l’efficacité des simulations en chimie quantique, le PDS est bien adapté pour tirer parti des avantages potentiels des ordinateurs quantiques.
« L’énergétique de la fission singulet tourne autour de doubles excitations électroniques – deux électrons montent simultanément de deux niveaux d’énergie plus élevés, ce qui est assez difficile à cerner avec des algorithmes pour ordinateurs conventionnels », a déclaré Claudino.
« Mais la manière sous-jacente dont un ordinateur quantique fonctionne, il peut naturellement traiter les corrélations quantiques qui donnent lieu à ce phénomène de fission singulet. C’est à ce moment-là que nous avons réalisé que, ‘oui, nous devrions utiliser un ordinateur quantique pour traiter quelque chose qui est intrinsèquement quantique. » C’est bien connu. Mais je pense que nous avons été les premiers à réaliser qu’il avait l’application pour ce problème spécifique. »
L’accès au H1-1, un ordinateur quantique prêt pour l’entreprise construit par Quantinuum (anciennement Honeywell), a été fourni par le Quantum Computing User Program de l’Oak Ridge Leadership Computing Facility, une installation utilisateur du DOE Office of Science.
L’informatique quantique – une technologie encore à ses débuts par rapport aux supercalculateurs classiques tels que le Frontier de classe exascale de l’OLCF – utilise des bits quantiques, ou qubits, pour effectuer des calculs. Contrairement aux bits binaires utilisés dans les ordinateurs classiques, les qubits vont au-delà des 1 et des 0 pour utiliser également 1 et 0 simultanément dans une superposition mixte, augmentant de manière exponentielle sa puissance de traitement pour certaines équations, telles que celles basées sur la mécanique quantique. Cependant, les systèmes informatiques quantiques sont toujours sujets à des taux d’erreur élevés, et l’équipe a dû compenser ce défi pour obtenir des résultats fiables.
« Il vaut mieux avoir beaucoup plus de mesures pour être du bon côté lorsqu’il s’agit de contourner les erreurs, mais nous ne serions pas en mesure d’exécuter cet algorithme en temps opportun », a déclaré Claudino.
« C’est à ce moment-là que nous avons proposé une optimisation des mesures pour réduire la taille de nos calculs à quelque chose de raisonnable en termes de temps de calcul. Nous sommes passés de quelque chose qui était d’une taille prohibitive à quelque chose qui se prêtait au matériel quantique. »
Les membres de l’équipe ORNL ont appliqué trois stratégies indépendantes pour réduire la charge de travail de calcul du problème, ce qui a réduit leur temps de résolution de plusieurs mois à quelques semaines. Tout d’abord, dans une technique appelée qubit tapering, ils ont diminué le nombre de qubits nécessaires pour exprimer le problème, réduisant ainsi la taille du problème lui-même. Deuxièmement, ils ont pris moins de mesures pour résoudre le problème en mesurant des groupes de termes une fois plutôt que de mesurer chaque terme individuel de chaque groupe. Troisièmement, au lieu d’implémenter chaque circuit individuellement, ils ont trouvé un moyen de faire fonctionner quatre circuits en parallèle, leur permettant d’utiliser les 20 qubits du H1-1.
« Nous avons réalisé que si nous voulions simplement jeter tout cela dans un ordinateur quantique, cela ne fonctionnerait pas car c’est encore trop pour la technologie actuelle. L’idée est que vous voulez imaginer un moyen d’exploiter l’ordinateur quantique mais uniquement pour des tâches spécifiques dont nous savons qu’ils peuvent être plus performants que les ordinateurs conventionnels », a déclaré Claudino.
« Pourtant, même dans ce cas, vous êtes toujours limité par l’état actuel de la technique qui nous permet uniquement d’atteindre une certaine taille ou d’effectuer des tâches qui ne prennent qu’un temps limité. C’est le principal goulot d’étranglement lorsque l’on se tourne vers les ordinateurs quantiques. »
Le projet de l’équipe de l’ORNL a démontré la viabilité des ordinateurs quantiques actuels pour résoudre des problèmes scientifiques qui pourraient avoir un impact sur la vie quotidienne. Bien que Claudino n’envisage pas de s’attaquer à nouveau à la fission singulet de sitôt, son équipe envisage d’autres problèmes, tels que « la direction de la matière et de la lumière », qui pourraient être résolus à l’aide des techniques d’informatique quantique démontrées dans ce projet.
Même si les approches que nous avons utilisées ont déjà été publiées, je dirais qu’elles sont loin d’être largement adoptées. Je pense que nous plaidons en faveur de l’utilisation de telles approches », a déclaré Claudino. « Les chercheurs doivent être conscients qu’ils peuvent gaspiller des ressources quantiques et potentiellement augmenter les erreurs dans leurs simulations en ne tirant pas parti de ces techniques. »
Plus d’information:
Daniel Claudino et al, Modélisation de la fission singulet sur un ordinateur quantique, Le Journal des lettres de chimie physique (2023). DOI : 10.1021/acs.jpclett.3c01106