L’automne dernier, lorsque les chercheurs de Google ont annoncé qu’ils avaient atteint la « suprématie quantique » – le point auquel un ordinateur quantique peut résoudre une tâche qui dépasse la portée des appareils classiques – certains experts ont minimisé leur réussite.
Le programme, qui vérifiait la sortie d’un générateur de nombres aléatoires, avait peu de valeur pratique et n’a pas réussi à montrer que la machine de l’entreprise pouvait faire quoi que ce soit d’utile, ont objecté les critiques.
Mais l’ordinateur quantique de Google vient d’accomplir quelque chose qui pourrait trouver des applications dans le monde réel : simuler avec succès une réaction chimique simple. Cet exploit ouvre une nouvelle voie pour la chimie quantique, qui pourrait nous aider à mieux comprendre les réactions moléculaires et conduire à des découvertes précieuses telles que des batteries plus efficaces, de nouvelles méthodes de production d’engrais et de meilleures techniques pour éliminer le dioxyde de carbone de l’air.
L’expérience de suprématie quantique de l’année dernière a été réalisée avec une puce appelée Sycamore, qui se composait de 53 bits quantiques supraconducteurs, ou qubits. En les refroidissant à des températures proches du zéro absolu, les qubits acquièrent des propriétés quantiques ; En conséquence, les scientifiques peuvent les manipuler de manière plus complexe et utile que les simples flux de courant électrique qui définissent les états « off » et « on » d’un bit traditionnel. L’espoir est que les processeurs quantiques deviendront suffisamment puissants pour résoudre rapidement des calculs qui prendraient à un ordinateur classique plus de temps que la durée de vie de l’univers.
Cette expérience de chimie quantique, décrite le 28 août dans la revue Science, était basée sur le même design que la puce Sycamore, bien que seulement 12 qubits aient été utilisés. Sa réalisation montre la polyvalence du système, explique Ryan Babbush, chercheur responsable du développement d’algorithmes pour le projet Google. « Cela montre que cet appareil est un ordinateur quantique numérique entièrement programmable, que nous pouvons utiliser pour toutes les tâches auxquelles nous pouvons penser. »
Tout d’abord, l’équipe a simulé une version simplifiée de l’état énergétique d’une molécule composée de 12 atomes d’hydrogène, chacun des 12 qubits représentant un électron. Ensuite, ils ont modélisé une réaction chimique dans une molécule composée d’atomes d’hydrogène et d’azote, y compris des changements dans la structure électronique de la molécule lorsque les atomes d’hydrogène vont et viennent. Étant donné que l’énergie des électrons dicte la vitesse à laquelle une réaction se déroule pour une température et une concentration d’espèces différentes, ces types de simulations pourraient aider les chimistes à mieux comprendre le mécanisme de la réaction et comment il dépend de la température ou du cocktail chimique. .
La simulation effectuée par les chercheurs, connue sous le nom de procédure Hartree-Fock, peut également être mise en œuvre sur un processeur traditionnel, de sorte qu’elle ne démontre pas à elle seule la suprématie quantique. De plus, ils l’ont exécuté à l’aide d’un ordinateur classique, qui a utilisé l’apprentissage automatique pour évaluer chaque calcul et affiner les itérations suivantes de la simulation quantique. Cependant, cette réalisation sert à valider les méthodes du projet, qui s’avéreront essentielles dans les futures simulations de chimie quantique, selon Nicholas Rubin, chercheur dans l’équipe d’informatique quantique de Google. Et c’était deux fois plus complexe que le plus grand calcul chimique jamais effectué sur un ordinateur quantique.
En 2017, IBM a exécuté une simulation de chimie quantique à l’aide de six qubits. Rubin dit que le résultat décrivait un système moléculaire avec un niveau de complexité que les scientifiques des années 1920 auraient pu calculer à la main.En doublant le nombre de qubits, le projet Google s’est attaqué à un système qui aurait pu être caractérisé avec un ordinateur dans les années quarante. « Si nous doublons encore cela, nous irons peut-être en 1980 », explique Babbush. « Et si nous le reproduisons une fois de plus, nous irons sûrement au-delà de ce qui peut être fait classiquement aujourd’hui. »
Jusqu’à présent, aucun ordinateur quantique n’a réalisé quoi que ce soit qui ne soit pas à la portée d’un ordinateur classique, explique Xiao Yuan, chercheur postdoctoral à l’Institut de physique théorique de l’Université de Stanford, qui a écrit un commentaire accompagnant l’article de Google dans Science .. Les chercheurs d’IBM se sont même demandé si Google avait atteint la suprématie quantique en 2019 et ont montré un moyen d’obtenir les mêmes résultats avec un supercalculateur en deux jours et demi, alors que la version de Google avait pris un peu plus de trois minutes. Cependant, Yuan considère la nouvelle expérience de chimie quantique comme un grand pas vers un objectif important. « La nouvelle la plus excitante serait que nous pourrions utiliser un ordinateur quantique pour résoudre un problème classiquement pertinent et difficile », ajoute-t-il.
Et il n’y a aucune raison théorique pour laquelle nous ne pouvons pas y arriver, poursuit Yuan, mais le défi technique de passer de quelques qubits à plusieurs centaines (voire beaucoup plus, au fil du temps) nécessitera une ingénierie compliquée. Un dispositif quantique à usage général avec des millions de qubits nécessitera le développement de protocoles de correction d’erreurs, un problème particulièrement difficile qui pourrait prendre plus d’une décennie à résoudre. En attendant, les ordinateurs quantiques « bruyants à échelle intermédiaire », qui manquent de correction d’erreur complète, pourraient s’avérer utiles.
La chimie cadre bien avec l’informatique quantique, puisque les réactions chimiques sont intrinsèquement quantiques, explique Alán Aspuru-Guzik, un pionnier de la chimie quantique à l’Université de Toronto. Afin de modéliser une réaction en détail, nous avons besoin de connaître les états quantiques de tous les électrons impliqués. Et quoi de mieux pour simuler un système quantique qu’en utilisant un autre système quantique ? De l’avis d’Aspuru-Guzik, bien avant que les ingénieurs ne puissent développer un ordinateur quantique programmable à usage général, les appareils avec une poignée de qubits devraient surpasser les ordinateurs classiques sur un certain nombre de problèmes chimiques intéressants. « C’est donc une avancée importante, mais l’histoire ne s’arrête pas là », prédit-il.
Par exemple, Aspuru-Guzik recherche de meilleurs matériaux pour les batteries qui stockent l’énergie produite par les éoliennes et les panneaux solaires. Ces matériaux doivent avoir des propriétés apparemment contradictoires : ils doivent être suffisamment réactifs pour se charger et se décharger rapidement, mais aussi suffisamment stables pour ne pas exploser ou prendre feu. Des modèles informatiques des réactions aideraient à identifier les matériaux optimaux pour cette tâche. Et ces modèles pourraient également être importants dans la recherche de nouveaux médicaments.
Pourtant, les ordinateurs quantiques ne sont peut-être pas le seul moyen révolutionnaire de modéliser les réactions chimiques, déclare Aspuru-Guzik. L’intelligence artificielle pourrait conduire à des algorithmes efficaces permettant d’exécuter des simulations utiles sur des ordinateurs classiques. Pour se soigner, son laboratoire travaille sur les deux possibilités : développer de nouveaux algorithmes pour les processeurs quantiques à échelle intermédiaire et créer des robots pilotés par l’IA pour découvrir de nouveaux types de matériaux.
L’exploit de Google rend Aspuru-Guzik optimiste sur le fait que l’informatique quantique peut résoudre des problèmes intéressants dans un avenir pas trop lointain. « C’est le maximum qu’un ordinateur quantique puisse atteindre actuellement », conclut-il. « Il reste encore beaucoup à faire, en termes de composants et de programmes, pour en arriver là. »
