La science et l'industrie informatique fondent de grands espoirs sur l'informatique quantique, mais les descriptions des applications possibles ont tendance à être vagues. Les chercheurs de l'ETH Zurich ont maintenant proposé un exemple concret qui démontre ce que les ordinateurs quantiques seront réellement capables de réaliser à l'avenir.

Les spécialistes n'attendent rien de moins qu'une révolution technologique des ordinateurs quantiques, qui, espèrent-ils, leur permettront bientôt de résoudre des problèmes actuellement trop complexes pour les supercalculateurs classiques. Les domaines d'application couramment discutés incluent le cryptage et le décryptage des données, ainsi que des problèmes particuliers dans les domaines de la physique, chimie quantique et recherche sur les matériaux.

Mais lorsqu'il s'agit de questions concrètes auxquelles seuls les ordinateurs quantiques peuvent répondre, les experts sont restés relativement vagues. Des chercheurs de l'ETH Zurich et de Microsoft Research présentent pour la première fois une application spécifique dans la revue scientifique PNAS :évaluation d'une réaction chimique complexe. Sur la base de cet exemple, les scientifiques montrent que les ordinateurs quantiques peuvent en effet fournir des résultats scientifiquement pertinents.

Une équipe de chercheurs dirigée par les professeurs de l'ETH Markus Reiher et Matthias Troyer a utilisé des simulations pour démontrer comment une réaction chimique complexe pouvait être calculée à l'aide d'un ordinateur quantique. Pour y parvenir, l'ordinateur quantique doit être de "taille moyenne", dit Matthias Troyer, qui est professeur de physique informatique à l'ETH Zurich et travaille actuellement pour Microsoft. Le mécanisme de cette réaction serait presque impossible à évaluer avec un supercalculateur classique seul – surtout si les résultats doivent être suffisamment précis.

L'une des enzymes les plus complexes

Les chercheurs ont choisi comme exemple pour leur étude une réaction biochimique particulièrement complexe :grâce à une enzyme spéciale appelée nitrogénase, certains micro-organismes sont capables de diviser les molécules d'azote atmosphérique afin de créer des composés chimiques avec des atomes d'azote uniques. On ignore encore comment fonctionne exactement la réaction de la nitrogénase. "C'est l'un des plus grands mystères non résolus de la chimie, " dit Markus Reiher, Professeur de chimie théorique à l'ETH Zurich.

Les ordinateurs disponibles aujourd'hui sont capables de calculer assez précisément le comportement de molécules simples. Cependant, c'est presque impossible pour l'enzyme nitrogénase et son centre actif, ce qui est tout simplement trop complexe, explique Reiher.

Dans ce contexte, la complexité est le reflet du nombre d'électrons qui interagissent les uns avec les autres au sein de la molécule sur des distances relativement longues. Plus un chercheur doit prendre en compte d'électrons, plus les calculs sont sophistiqués. "Les méthodes existantes et les superordinateurs classiques peuvent être utilisés pour évaluer des molécules avec environ 50 électrons en interaction forte au maximum, " dit Reiher. Cependant, il y a un nombre significativement plus grand de tels électrons au centre actif d'une enzyme nitrogénase. Parce qu'avec les ordinateurs classiques, l'effort requis pour évaluer une molécule double avec chaque électron supplémentaire, une quantité irréaliste de puissance de calcul est nécessaire.

Une autre architecture informatique

Comme l'ont démontré les chercheurs de l'ETH, des ordinateurs quantiques hypothétiques avec seulement 100 à 200 bits quantiques (qubits) seront potentiellement capables de calculer des sous-problèmes complexes en quelques jours. Les résultats de ces calculs pourraient ensuite être utilisés pour déterminer le mécanisme de réaction de la nitrogénase étape par étape.

Le fait que les ordinateurs quantiques soient capables de résoudre des tâches aussi difficiles est en partie le résultat du fait qu'ils sont structurés différemment des ordinateurs classiques. Plutôt que de nécessiter deux fois plus de bits pour évaluer chaque électron supplémentaire, les ordinateurs quantiques ont simplement besoin d'un qubit de plus.

Cependant, il reste à voir quand de tels ordinateurs quantiques "modérément gros" seront disponibles. Les ordinateurs quantiques expérimentaux actuellement existants utilisent respectivement de l'ordre de 20 qubits rudimentaires. Il faudra encore au moins cinq ans, ou plus probablement dix, avant d'avoir des ordinateurs quantiques avec des processeurs de plus de 100 qubits de haute qualité, estime Reiher.

Production de masse et mise en réseau

Les chercheurs soulignent le fait que les ordinateurs quantiques ne peuvent pas gérer toutes les tâches, ils serviront donc de complément aux ordinateurs classiques, plutôt que de les remplacer. "L'avenir sera façonné par l'interaction entre les ordinateurs classiques et les ordinateurs quantiques, " dit Troyer.

En ce qui concerne la réaction de la nitrogénase, les ordinateurs quantiques seront capables de calculer comment les électrons sont distribués au sein d'une structure moléculaire spécifique. Cependant, les ordinateurs classiques devront toujours indiquer aux ordinateurs quantiques quelles structures sont particulièrement intéressantes et doivent donc être calculées. « Les ordinateurs quantiques doivent être davantage considérés comme un coprocesseur capable de prendre en charge des tâches particulières des ordinateurs classiques, leur permettant ainsi de devenir plus efficaces, " dit Reiher.

Expliquer le mécanisme de la réaction de la nitrogénase nécessitera également plus que des informations sur la distribution des électrons dans une seule structure moléculaire; En effet, cette répartition doit être déterminée dans des milliers de structures. Chaque calcul prend plusieurs jours. "Pour que les ordinateurs quantiques soient utiles pour résoudre ce genre de problèmes, ils devront d'abord être produits en série, permettant ainsi aux calculs d'avoir lieu sur plusieurs ordinateurs en même temps, " dit Troyer.