Les chimistes sont les premiers à profiter des avantages de l'informatique quantique

Daniel Zender

Ce mois-ci, IBM et Google ont tous deux déclaré qu'ils visaient à commercialiser des ordinateurs quantiques dans les prochaines années (Google en a spécifié cinq), en vendant l'accès aux machines exotiques dans un nouveau type de service cloud. Les concurrents prédisent une nouvelle ère dans laquelle les ordinateurs seront immensément plus puissants, avec des dividendes tels qu'un routage plus efficace pour les entreprises de logistique et de cartographie, de nouvelles formes d'apprentissage automatique, de meilleures recommandations de produits et des tests de diagnostic améliorés.

Mais avant tout cela, le premier ordinateur quantique à commencer à payer son chemin avec un travail utile dans le monde réel semble susceptible de le faire en aidant les chimistes essayant de faire des choses comme améliorer les batteries ou l'électronique. Jusqu'à présent, la simulation de molécules et de réactions est le cas d'utilisation des premiers petits ordinateurs quantiques esquissés en détail par les chercheurs développant le nouveau type d'algorithmes nécessaires à ces machines.

Les ordinateurs quantiques, qui représentent des données à l'aide d'effets de mécanique quantique apparents à des échelles minuscules, devraient être capables d'effectuer des calculs impossibles pour tout ordinateur conventionnel. Les progrès récents du matériel pouvant être utilisé pour les construire ont entraîné une vague d'investissements de la part d'entreprises telles que Microsoft, Intel, Google et IBM (voir 10 Breakthrough Technologies 2017: Practical Quantum Computers).

Du point de vue de ce qui est théoriquement prouvé, la chimie est en avance, déclare Scott Crowder, directeur de la technologie de la division IBM qui vend aujourd'hui du matériel, y compris des superordinateurs, et espère ajouter des ordinateurs quantiques hébergés dans le cloud à sa gamme de produits dans les prochaines années. quelques années. Nous avons plus confiance dans les systèmes plus petits pour la chimie.

Les chercheurs utilisent depuis longtemps des simulations de molécules et de réactions chimiques pour faciliter la recherche de nouveaux matériaux, médicaments ou catalyseurs industriels. Cette tactique peut réduire le temps consacré aux expériences physiques et aux impasses scientifiques, et elle représente une part importante de la charge de travail des superordinateurs du monde.

Pourtant, les gains sont limités car même les superordinateurs les plus puissants ne peuvent pas parfaitement recréer tous les comportements quantiques complexes des atomes et des électrons, même dans des molécules relativement petites. Alan Aspuru-Guzik , professeur de chimie à Harvard. Il attend avec impatience le jour où les simulations sur des ordinateurs quantiques pourront accélérer les efforts de son groupe de recherche pour trouver de nouvelles molécules électroluminescentes pour les écrans, par exemple, et des batteries adaptées au stockage d'énergie à l'échelle du réseau.

À l'heure actuelle, nous devons nous calibrer constamment avec des données expérimentales, explique Aspuru-Guzik, qui a été le pionnier des méthodes de simulation de molécules sur des ordinateurs quantiques. Une partie de cela disparaîtra si nous avons un ordinateur quantique.

La simulation des effets quantiques qui façonnent les structures et les réactions moléculaires est un problème naturel pour les ordinateurs quantiques, car leur puissance provient du codage des données dans ces mêmes états quantiques difficiles. Les composants qui composent les ordinateurs quantiques, appelés qubits, peuvent utiliser des processus de mécanique quantique pour prendre des raccourcis de calcul impossibles pour une machine conventionnelle. (La société canadienne D-Wave propose déjà une puce aux propriétés quantiques aux chercheurs industriels et universitaires, mais il n'est pas clair si l'appareil offre les avantages attendus des ordinateurs quantiques.)

Microsoft parie sur une forme de matériel quantique moins mature qu'IBM et Google (voir Microsoft Quantum Mechanics ), mais il a l'un des efforts les plus avancés pour développer des algorithmes quantiques pratiques. La chimie et la science des matériaux font partie de ses principaux domaines d'intérêt. Les chercheurs du groupe ont récemment tenté de montrer comment des systèmes hybrides dans lesquels un ordinateur conventionnel et un petit ordinateur quantique fonctionnent ensemble pouvaient simuler la chimie.

Il est très prometteur pour l'étude des molécules, dit Krista Svore , qui dirige le groupe de Microsoft travaillant sur les algorithmes quantiques. La recherche de nouveaux matériaux supraconducteurs pratiques est une application possible du modèle hybride qui ne devrait pas nécessiter de très gros ordinateurs quantiques, dit-elle. Les ordinateurs conventionnels ont du mal à reproduire le comportement quantique des électrons qui sous-tend la supraconductivité.

Quand – ou si – cela se produit, les premiers succès en chimie devraient être de bon augure pour l'avenir des ordinateurs quantiques. Leur potentiel pour l'étude des molécules n'est qu'une manifestation de leur flair pour ce que les informaticiens appellent les problèmes d'optimisation, qui consistent à identifier la meilleure solution possible parmi de nombreuses alternatives. Cela peut signifier la configuration la plus stable des électrons d'un atome ou la voie de livraison la plus efficace autour d'une ville.

Aujourd'hui, les simulations chimiques peuvent être le type de problème d'optimisation pratique que les chercheurs comprennent le mieux comment poser à un ordinateur quantique, déclare Chris Monroe , professeur à l'Université du Maryland et cofondateur de la startup d'informatique quantique IonQ. Mais des progrès sont réalisés dans la compréhension d'autres applications de l'optimisation quantique, telles que l'apprentissage automatique, et il devrait y en avoir beaucoup plus.

Svore de Microsoft pense que les applications d'apprentissage automatique pourraient arriver assez rapidement. Pendant ce temps, casser le cryptage, bien qu'une véritable menace , est l'une des applications les plus lointaines de la technologie, car les algorithmes impliqués nécessiteraient un processeur quantique extrêmement volumineux.

Monroe compare le moment actuel de l'informatique quantique aux premiers jours du transistor, qui a connu son premier succès décisif dans les aides auditives avant de passer à des choses plus importantes.

Ils n'imaginaient pas que vous pouviez mettre 50 milliards sur une puce et faire toutes ces autres choses, dit-il. Nous sommes en quelque sorte au stade de l'aide auditive, où nous comprenons quelques applications très spécifiques et devons continuer à explorer.

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