Les ordinateurs quantiques ont un potentiel énorme pour les calculs utilisant de nouveaux algorithmes et impliquant des quantités de données bien au-delà de la capacité des supercalculateurs d'aujourd'hui. Bien que de tels ordinateurs aient été construits, ils en sont encore à leurs balbutiements et ont une applicabilité limitée pour résoudre des problèmes complexes en science des matériaux et en chimie. Par exemple, ils ne permettent de simuler les propriétés de quelques atomes que pour la recherche sur les matériaux.

Des scientifiques du laboratoire national Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) et de l'Université de Chicago (UChicago) ont mis au point une méthode ouvrant la voie à l'utilisation d'ordinateurs quantiques pour simuler des molécules réalistes et des matériaux complexes, dont la description nécessite des centaines d'atomes.

L'équipe de recherche est dirigée par Giulia Galli, directeur du Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), chef de groupe dans la division Science des matériaux d'Argonne et membre du Centre de génie moléculaire d'Argonne. Galli est également professeur de structure électronique et simulations de la famille Liew à la Pritzker School of Molecular Engineering et professeur de chimie à UChicago. Elle a travaillé sur ce projet avec le scientifique adjoint Marco Govoni et l'étudiant diplômé He Ma, faisant tous deux partie de la division Science des matériaux d'Argonne et d'UCicago.

"Notre nouvelle méthode de calcul, " Galli a dit, « améliore considérablement la précision atteignable avec les méthodes de mécanique quantique existantes concernant les calculs de défauts spécifiques dans les matériaux cristallins, et nous l'avons implémenté sur un ordinateur quantique."

Au cours des trois dernières décennies, les approches théoriques de la mécanique quantique ont joué un rôle important dans la prédiction des propriétés des matériaux pertinents pour la science de l'information quantique et les matériaux fonctionnels pour les applications énergétiques, englobant les catalyseurs et les systèmes de stockage d'énergie. Cependant, ces approches sont exigeantes en calcul, et il est toujours difficile de les appliquer à des complexes, matériaux hétérogènes.

"Dans nos recherches, nous avons développé une théorie de l'inclusion quantique qui a permis la simulation des "défauts de spin" dans les solides en couplant du matériel informatique quantique et classique, ", a déclaré Govoni. Ces types de défauts dans les solides ont une applicabilité au développement de matériaux pour le traitement de l'information quantique et les applications de détection à l'échelle nanométrique bien au-delà des capacités actuelles.

"La nôtre est une puissante stratégie prospective en science des matériaux computationnelle avec le potentiel de prédire les propriétés des matériaux complexes avec plus de précision que les méthodes actuelles les plus avancées ne peuvent le faire à l'heure actuelle, " ajouta Govoni.

L'équipe a d'abord testé la méthode d'intégration quantique sur un ordinateur classique, en l'appliquant aux calculs des propriétés des défauts de spin dans le diamant et le carbure de silicium. "Les anciens chercheurs ont étudié de manière approfondie les défauts du diamant et du carbure de silicium, nous disposions donc de données expérimentales abondantes à comparer avec les prédictions de notre méthode, " a déclaré Ma. Le bon accord entre la théorie et l'expérience a donné confiance à l'équipe dans la fiabilité de leur méthode.

L'équipe a ensuite testé les mêmes calculs sur un simulateur quantique et enfin sur l'ordinateur quantique IBM Q5 Yorktown. Les résultats ont confirmé la grande précision et l'efficacité de leur méthode d'inclusion quantique, établir un tremplin pour résoudre de nombreux types de problèmes de science des matériaux sur un ordinateur quantique.

Galli a noté que, "Avec la maturité inévitable des ordinateurs quantiques, nous prévoyons que notre approche sera applicable à la simulation de régions d'intérêt dans les molécules et les matériaux pour la compréhension et la découverte de catalyseurs et de nouveaux médicaments, ainsi que des solutions aqueuses contenant des espèces dissoutes complexes."

L'équipe de Galli fait partie du MICCoM, siège à Argonne; le Chicago Quantum Exchange, dont le siège est à UChicago ; et le projet QISpin financé par l'Air Force Office of Scientific Research.

Leurs recherches ont tiré parti du logiciel WEST développé au sein du MICCoM et ont utilisé plusieurs ressources informatiques en plus de l'ordinateur quantique IBM accessible au public :l'Argonne Leadership Computing Facility et le National Energy Research Scientific Computing Center, les deux installations pour les utilisateurs du Bureau des sciences du DOE ; et le Centre de calcul de recherche de l'Université de Chicago.

Les travaux de l'équipe sont présentés dans un article intitulé « Quantum Simulations of Materials on Near-term Quantum Computer » paru dans le numéro de juillet 2020 de Matériaux de calcul npj .