Les ingénieurs de Google viennent de franchir une étape importante dans le domaine de l’informatique quantique : ils ont produit la première simulation quantique entièrement évolutive d’une molécule d’hydrogène.
C’est une grande nouvelle, car cela montre que des dispositifs similaires pourraient nous aider à percer les secrets quantiques cachés dans la chimie qui nous entoure.
Les chercheurs travaillant avec l’équipe de Google ont pu simuler avec précision l’énergie des molécules d’hydrogène H2. Si nous pouvons répéter l’exploit pour d’autres molécules, nous pourrions en voir les avantages dans tout, des cellules solaires aux médicaments.
Ces types de prédictions sont souvent impossibles à réaliser avec des ordinateurs “classiques” ou prennent énormément de temps – calculer l’énergie d’une molécule de propane (C3H8), par exemple, prendrait environ 10 jours à un superordinateur.
Pour réaliser cet exploit, les ingénieurs de Google se sont associés à des chercheurs de l’université de Harvard, des Lawrence Berkeley National Labs, de l’UC Santa Barbara, de l’université Tufts et de l’University College London au Royaume-Uni.
“Si les énergies de l’hydrogène moléculaire peuvent être calculées de manière classique (bien qu’inefficace), il devient possible de simuler des systèmes chimiques encore plus grands, y compris ceux qui sont difficiles à calculer de manière classique, à mesure que l’on augmente la taille du matériel quantique”, écrit Ryan Babbush, ingénieur en logiciel quantique chez Google.
Les réactions chimiques sont quantiques par nature, car elles forment des états de superposition quantique hautement intriqués. En d’autres termes, l’état de chaque particule ne peut être décrit indépendamment des autres, ce qui pose des problèmes aux ordinateurs habitués à traiter des valeurs binaires de 1 et de 0.
C’est là qu’intervient l’ordinateur quantique universel de Google, qui utilise des qubits, c’est-à-dire des bits qui peuvent eux-mêmes se trouver dans un état de superposition, représentant à la fois 1 et 0.
Pour effectuer la simulation, les ingénieurs ont utilisé un circuit de calcul quantique surfondu appelé “variational quantum eigensolver” (VQE), un système de modélisation très avancé qui tente d’imiter les réseaux neuronaux de notre cerveau au niveau quantique.
Crédit : Google
Lorsque les résultats du VQE ont été comparés à l’énergie réellement libérée par la molécule d’hydrogène, les courbes correspondaient presque exactement, comme vous pouvez le voir sur le graphique ci-dessus.
M. Babbush explique que le passage de simulations chimiques qualitatives et descriptives à des simulations quantitatives et prédictives “pourrait moderniser le domaine de façon si spectaculaire que les exemples imaginables aujourd’hui ne sont que la partie émergée de l’iceberg”.
Nous en sommes aux toutes premières étapes de la modélisation de la réalité et, selon Google, nous pourrions commencer à voir des applications dans toutes sortes de systèmes impliquant la chimie : batteries améliorées, électronique flexible, nouveaux types de matériaux, etc.
L’une des applications potentielles est la modélisation de la production d’engrais par les bactéries. La production d’engrais par l’homme est extrêmement inefficace en termes d’environnement et coûte 1 à 2 % de l’énergie mondiale par an ; toute amélioration de la compréhension des réactions chimiques impliquées pourrait donc produire des gains considérables.
Il est encore trop tôt pour le dire, et bien que nous ayons décrit le matériel de Google comme un ordinateur quantique par souci de simplicité, le débat se poursuit pour savoir si nous avons déjà déchiffré le code de l’informatique quantique.
Certains affirment que la machine de Google n’est encore qu’un prototype, un ordinateur partiellement quantique, et non une véritable machine. Mais pendant que les scientifiques discutent des tenants et aboutissants de cet argument, nous commençons au moins à récolter les fruits de cette technologie – et pouvons nous réjouir d’un avenir proche où la puissance de calcul sera presque inimaginable.
Les résultats sont publiés dans Physical Review X.