Si vous connaissez les atomes qui composent une molécule ou un matériau solide particulier, les interactions entre ces atomes peuvent être déterminées par ordinateur, en résolvant des équations de mécanique quantique, du moins si la molécule est petite et simple. Cependant, la résolution de ces équations, essentielles pour des domaines allant de l’ingénierie des matériaux à la conception de médicaments, nécessite un temps de calcul prohibitif pour les molécules et les matériaux complexes.
Maintenant, des chercheurs du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) et de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) et du Département de chimie de l’Université de Chicago ont exploré la possibilité de résoudre ces structures électroniques à l’aide d’un ordinateur quantique.
La recherche, qui utilise une combinaison de nouvelles approches informatiques, a été publié en ligne dans le Journal de théorie chimique et de calcul. Il a été soutenu par Q-NEXT, un centre national de recherche en sciences de l’information quantique du DOE dirigé par Argonne, et par le Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM).
« Il s’agit d’une étape passionnante vers l’utilisation d’ordinateurs quantiques pour résoudre des problèmes difficiles en chimie computationnelle », a déclaré Giulia Galli, qui a dirigé la recherche avec Marco Govoni, scientifique à Argonne et membre du Consortium UChicago pour les sciences et l’ingénierie avancées (CASE). .
Un défi informatique
Prédire la structure électronique d’un matériau implique de résoudre des équations complexes qui déterminent comment les électrons interagissent, ainsi que de modéliser comment diverses structures possibles se comparent les unes aux autres dans leurs niveaux d’énergie globaux.
Contrairement aux ordinateurs conventionnels qui stockent les informations en bits binaires, les ordinateurs quantiques utilisent des qubits qui peuvent exister en superposition d’états, leur permettant de résoudre certains problèmes plus facilement et plus rapidement. Les chimistes computationnels se sont demandé si et quand les ordinateurs quantiques pourraient éventuellement être en mesure de résoudre le problème de la structure électronique des matériaux complexes mieux que les ordinateurs conventionnels. Cependant, les ordinateurs quantiques d’aujourd’hui restent relativement petits et produisent des données bruitées.
Même avec ces faiblesses, Galli et ses collègues se sont demandé s’ils pouvaient encore progresser dans la création des méthodes de calcul quantique sous-jacentes nécessaires pour résoudre les problèmes de structure électronique sur les ordinateurs quantiques.
« La question que nous voulions vraiment aborder est de savoir ce qu’il est possible de faire avec l’état actuel des ordinateurs quantiques », a déclaré Govoni. « Nous avons posé la question : même si les résultats des ordinateurs quantiques sont bruyants, peuvent-ils encore être utiles pour résoudre des problèmes intéressants en science des matériaux ?
Un processus itératif
Les chercheurs ont conçu un processus de simulation hybride, à l’aide d’ordinateurs quantiques IBM. Dans leur approche, un petit nombre de qubits – entre quatre et six – effectuent une partie des calculs, et les résultats sont ensuite traités à l’aide d’un ordinateur classique.
« Nous avons conçu un processus de calcul itératif qui tire parti des atouts des ordinateurs quantiques et conventionnels », a déclaré Benchen Huang, étudiant diplômé du groupe Galli et premier auteur du nouvel article.
Après plusieurs itérations, le processus de simulation a pu fournir les structures électroniques correctes de plusieurs défauts de spin dans les matériaux à l’état solide. De plus, l’équipe a développé une nouvelle approche d’atténuation des erreurs pour aider à contrôler le bruit inhérent généré par l’ordinateur quantique et assurer l’exactitude des résultats.
Indices d’avenir
Pour l’instant, les structures électroniques résolues à l’aide de la nouvelle approche de calcul quantique pourraient déjà être résolues à l’aide d’un ordinateur conventionnel. Par conséquent, le débat de longue date sur la supériorité d’un ordinateur quantique sur un ordinateur classique dans la résolution de problèmes de structure électronique n’est pas encore réglé.
Cependant, les résultats fournis par la nouvelle méthode ouvrent la voie aux ordinateurs quantiques pour traiter des structures chimiques plus complexes.
« Lorsque nous étendons cela à 100 qubits au lieu de 4 ou 6, nous pensons que nous pourrions avoir un avantage sur les ordinateurs conventionnels », a déclaré Huang. « Mais seul le temps nous le dira avec certitude. »
Le groupe de recherche prévoit de continuer à améliorer et à intensifier son approche, ainsi qu’à l’utiliser pour résoudre différents types de problèmes électroniques, tels que les molécules en présence de solvants, et les molécules et matériaux dans des états excités.
Plus d’information:
Benchen Huang et al, Simulations quantiques d’hamiltoniens fermioniques avec codage efficace et schémas Ansatz, Journal de théorie chimique et de calcul (2023). DOI : 10.1021/acs.jctc.2c01119