Un groupe international de chercheurs a réalisé la première démonstration multi-qubit au monde d'un calcul de chimie quantique effectué sur un système d'ions piégés, l'une des principales plates-formes matérielles dans la course au développement d'un ordinateur quantique universel.

La recherche, dirigé par le physicien de l'Université de Sydney, le Dr Cornelius Hempel, explore une voie prometteuse pour développer des moyens efficaces de modéliser des liaisons chimiques et des réactions à l'aide d'ordinateurs quantiques. Il est publié aujourd'hui dans le prestigieux Examen physique X de la Société américaine de physique.

"Même les plus gros supercalculateurs ont du mal à modéliser avec précision tout sauf la chimie la plus basique. Les ordinateurs quantiques simulant la nature, cependant, débloquer une toute nouvelle façon d'appréhender la matière. Ils nous fourniront un nouvel outil pour résoudre des problèmes en science des matériaux, la médecine et la chimie industrielle à l'aide de simulations."

L'informatique quantique n'en étant qu'à ses balbutiements, on ne sait pas exactement quels problèmes ces appareils seront les plus efficaces pour résoudre, mais la plupart des experts s'accordent à dire que la chimie quantique sera l'une des premières « applications meurtrières » de cette technologie émergente.

La chimie quantique est la science qui permet de comprendre les liaisons et les réactions complexes des molécules à l'aide de la mécanique quantique. Les « parties mobiles » de tout sauf des processus chimiques les plus simples dépassent la capacité des superordinateurs les plus gros et les plus rapides.

En modélisant et en comprenant ces processus à l'aide d'ordinateurs quantiques, les scientifiques s'attendent à débloquer des voies à plus faible énergie pour les réactions chimiques, permettant la conception de nouveaux catalyseurs. Cela aura d'énormes implications pour les industries, comme la production d'engrais.

D'autres applications possibles incluent le développement de cellules solaires organiques et de meilleures batteries grâce à des matériaux améliorés et à l'utilisation de nouvelles connaissances pour concevoir des médicaments personnalisés.

En collaboration avec des collègues de l'Institut d'optique quantique et d'information quantique d'Innsbruck, L'Autriche, Le Dr Hempel n'a utilisé que quatre qubits sur un appareil de 20 qubits pour exécuter des algorithmes afin de simuler les liaisons énergétiques de l'hydrogène moléculaire et de l'hydrure de lithium.

Ces molécules relativement simples sont choisies car elles sont bien comprises et peuvent être simulées à l'aide d'ordinateurs classiques. Cela permet aux scientifiques de vérifier les résultats fournis par les ordinateurs quantiques en cours de développement.

Le Dr Hempel a déclaré : « Il s'agit d'une étape importante du développement de cette technologie car elle nous permet de définir des références, rechercher les erreurs et planifier les améliorations nécessaires."

Au lieu de viser la simulation la plus précise ou la plus grande à ce jour, Les travaux du Dr Hempel se sont concentrés sur ce qui peut mal tourner dans un algorithme hybride quantique-classique prometteur connu sous le nom de solutionneur propre quantique variationnel ou VQE.

En examinant différentes manières de coder le problème de chimie, les chercheurs recherchent des moyens de supprimer les erreurs qui surviennent dans les ordinateurs quantiques imparfaits d'aujourd'hui et entravent l'utilité à court terme de ces machines.

La suppression des erreurs est au cœur des recherches menées au Quantum Control Laboratory de l'Université de Sydney, dirigé par le professeur Michael Biercuk, qui a récemment lancé la première start-up quantique privée d'Australie, Q-CTRL. Dr Hempel, qui a fait les expériences à l'université d'Innsbruck, espère maintenant tirer parti de l'expertise de Sydney pour améliorer ce qui peut être accompli avec ce genre de simulations.

Le papier, publié aujourd'hui dans une revue de premier plan Examen physique X , a été écrit conjointement avec le professeur d'Innsbruck Rainer Blatt, pionnier de l'informatique quantique, et l'ancien professeur de Harvard Alán Aspuru-Guzik, qui a depuis déménagé à l'Université de Toronto.

Professeur Blatt, de l'IQOQI à Innsbruck, a déclaré:"La chimie quantique est un exemple où les avantages d'un ordinateur quantique deviendront très bientôt apparents dans des applications pratiques."

Responsable du domaine des sciences quantiques du Nano Institute de l'Université de Sydney, Dr Ivan Kassal, a déclaré :« Ce travail est une mise en œuvre remarquable de l'une des approches les plus prometteuses de la chimie quantique, prouvant son courage sur un véritable processeur d'informations quantiques."

Il a déclaré que la décision du Dr Hempel de déménager à l'Université de Sydney en 2016 était un excellent ajout à la solide équipe quantique du campus. "La chimie théorique et la science des matériaux sont des points forts de cette université et elles seront renforcées par ces dernières techniques de calcul quantique, " il a dit.