Des chercheurs australiens utilisent un ordinateur quantique pour simuler le comportement de molécules réelles

Ivan Kassal, University of Sydney et Tingrei Tan, University of Sydney

Lorsqu’une molécule absorbe de la lumière, elle subit un tourbillon de transformations mécaniques quantiques. Les électrons passent d’un niveau d’énergie à l’autre, les atomes vibrent et les liaisons chimiques se modifient, le tout en quelques millionièmes de milliardième de seconde.

Ces processus sont à la base de tout, de la photosynthèse chez les plantes aux dommages causés à l’ADN par la lumière du soleil, en passant par le fonctionnement des cellules solaires et les thérapies anticancéreuses alimentées par la lumière.

Malgré leur importance, les processus chimiques induits par la lumière sont difficiles à simuler avec précision. Les ordinateurs traditionnels ont du mal, car il faut une grande puissance de calcul pour simuler ce comportement quantique. </Les ordinateurs quantiques, en revanche, sont eux-mêmes des systèmes quantiques, de sorte que le comportement quantique est naturel. Cela fait des ordinateurs quantiques des candidats naturels pour simuler la chimie.

Jusqu’à présent, les dispositifs quantiques n’ont pu calculer que des choses immuables, telles que l’énergie des molécules. Notre étude, publiée cette semaine dans le Journal de la société chimique américaine, démontre que nous pouvons également modéliser la façon dont ces molécules changent au fil du temps.

Nous avons simulé expérimentalement la façon dont des molécules réelles spécifiques se comportent après avoir absorbé de la lumière.

Simuler la réalité avec un seul ion

Nous avons utilisé ce que l’on appelle un ordinateur quantique à ions piégés. Celui-ci fonctionne en manipulant des atomes individuels dans une chambre à vide, maintenus en place par des champs électromagnétiques.

Normalement, les ordinateurs quantiques stockent des informations à l’aide de bits quantiques, ou qubits. Cependant, pour simuler le comportement des molécules, nous avons également utilisé les vibrations des atomes dans l’ordinateur, appelées « modes bosoniques ».

Cette technique est appelée simulation mixte qudit-boson. Elle réduit considérablement la taille de l’ordinateur quantique nécessaire pour simuler une molécule.

Nous avons simulé le comportement de trois molécules absorbant la lumière : l’allène, le butatriène et la pyrazine. Chaque molécule présente des interactions électroniques et vibrationnelles complexes après avoir absorbé la lumière, ce qui en fait des cas de test idéaux.

Notre simulation, qui a utilisé un laser et un seul atome dans l’ordinateur quantique, a ralenti ces processus par un facteur de 100 milliards. Dans le monde réel, les interactions prennent des femtosecondes, mais notre simulation s’est déroulée en quelques millisecondes – suffisamment lentement pour que nous puissions voir ce qui s’est passé.

Un million de fois plus efficace

Ce qui rend notre expérience particulièrement significative, c’est la taille de l’ordinateur quantique que nous avons utilisé.

Pour réaliser la même simulation avec un ordinateur quantique traditionnel (sans utiliser les modes bosoniques), il faudrait 11 qubits et effectuer environ 300 000 opérations d' »enchevêtrement » sans erreur. En revanche, notre approche a permis d’accomplir cette tâche en envoyant une seule impulsion laser sur un seul ion piégé. Nous estimons que notre méthode est au moins un million de fois plus efficace en termes de ressources que les approches quantiques standard.

Nous avons également simulé la dynamique d’un « système ouvert », où la molécule interagit avec son environnement. Il s’agit typiquement d’un problème beaucoup plus difficile à résoudre pour les ordinateurs classiques. En injectant un bruit contrôlé dans l’environnement de l’ion, nous avons reproduit la manière dont les molécules réelles perdent de l’énergie. Cela a montré que la complexité de l’environnement peut également être prise en compte par la simulation quantique.

Qu’est-ce qu’on fait maintenant ?

Ce travail est une étape importante pour la chimie quantique. Même si l’échelle des ordinateurs quantiques actuels est encore limitée, nos méthodes montrent que de petites expériences bien conçues peuvent déjà s’attaquer à des problèmes d’un réel intérêt scientifique.

Simuler le comportement réel des atomes et des molécules est un objectif clé de la chimie quantique. Nous pensons qu’avec une augmentation modeste de l’échelle – jusqu’à 20 ou 30 ions – les simulations quantiques pourraient s’attaquer à des systèmes chimiques trop complexes pour un superordinateur classique. Cela ouvrirait la voie à des avancées rapides dans le développement de médicaments, l’énergie propre et notre compréhension fondamentale des processus chimiques qui sont à l’origine de la vie elle-même.

Ivan Kassal, Professor of Chemical Physics, University of Sydney and Tingrei Tan, Research Fellow, Quantum Control Laboratory, University of Sydney

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’ article original.