Pour construire des options énergétiques durables moins chères et plus efficaces, nous devons en savoir beaucoup plus qu'actuellement sur les réactions chimiques qui convertissent l'énergie solaire en électricité. L'un des meilleurs moyens d'y parvenir consiste à utiliser des modèles informatiques qui simulent des interactions moléculaires complexes. Bien que les ordinateurs classiques aient bien servi cet objectif au cours des dernières décennies, nous expliquons dans une nouvelle étude de recherche les qualités particulières de l'informatique quantique qui aideront les chercheurs à faire progresser les technologies de conversion de l'énergie solaire, la photosynthèse artificielle et le photovoltaïque à un tout autre niveau.

Notre étude, "Simulation de battements quantiques en paires radicales sur un ordinateur quantique bruyant, " détaille comment les scientifiques d'IBM Research et de l'Université de Notre Dame, avec l'aide d'étudiants de l'Université de Georgetown, Université DePaul, Illinois Institute of Technology et Occidental College à Los Angeles — ont utilisé un ordinateur IBM Quantum basé sur le cloud pour simuler comment le résultat d'une réaction chimique est contrôlé par l'évolution temporelle de l'état d'intrication des deux réactifs, et comment ce phénomène de chimie de spin est affecté par la perte progressive d'aimantation et de déphasage causés par les fluctuations thermiques.

La chimie du spin est un sous-domaine de la chimie qui traite des effets de spin magnétique dans les réactions chimiques. Il relie les phénomènes quantiques tels que la superposition et l'intrication à des paramètres chimiques tangibles tels que le rendement de la réaction (la quantité de tout ce qu'une réaction chimique produit). Avec un ordinateur quantique, la chimie de spin permet de simuler directement certains processus chimiques dynamiques, essentiellement la cinétique des réactions chimiques. Les effets de spin dans les paires de radicaux jouent un rôle important dans les processus sous-jacents à la conversion de l'énergie solaire.

Les chercheurs de Notre Dame ont utilisé pendant des années des ordinateurs classiques pour étudier la chimie des spins. Simulations créées à l'aide de ces ordinateurs, cependant, nécessitait l'introduction de bruits artificiels pour essayer d'imiter de façon réaliste les réactions chimiques. En 2018, les chercheurs ont sauté sur l'occasion de créer des simulations de chimie de spin plus détaillées à l'aide des ordinateurs quantiques à 5 qubits d'IBM accessibles au public. Et d'ici avril 2019, Notre Dame avait rejoint le réseau IBM Q, qui leur a offert l'accès aux systèmes informatiques IBM Quantum et à l'expertise qu'ils recherchaient pour mener à bien leurs expériences de chimie de spin.

Travailler ensemble, notre équipe de scientifiques a utilisé un ordinateur quantique pour simuler comment les effets de spin contrôlent le rendement de la réaction. Dans ce cas, deux produits de réaction possibles étaient des molécules dans deux types différents d'états excités - soit singulet (avec spin 0) ou triplet (avec spin 1), chacun contenant des quantités d'énergie différentes. Dans le système que nous avons étudié, données expérimentales publiées par V.A. Le groupe de Bagryansky — du V.V. Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion — s'exprime en fluorescence ou en phosphorescence, qui nous aide à mieux comprendre comment fonctionne une réaction au niveau moléculaire. Dans ce système, la perte de signal des molécules a été mesurée par fluorescence.

La perte de magnétisation des molécules due à la relaxation du spin des électrons était analogue à la perte de la capacité d'une bande magnétique à stocker des informations en raison d'une chaleur excessive. Supports magnétiques - largement remplacés par flash, mais toujours utilisé pour le stockage d'archives - est constitué d'îlots de matériau magnétique. Pendant longtemps, les fabricants de supports magnétiques ont eu du mal à faire fonctionner leur équipement à température ambiante ou plus chaude, car la chaleur affaiblissait les signaux magnétiques au fil du temps. La relaxation rapide du spin des électrons peut également diminuer l'efficacité du transport du spin dans les applications de conversion de l'énergie solaire.

Le succès de notre expérience était une voie à double sens, nous permettant d'étudier le comportement des ordinateurs quantiques ainsi que la chimie des spins. Contrairement à la plupart des expériences sur les ordinateurs quantiques, qui cherchent à tirer parti de l'incroyable potentiel de la technologie en tirant parti de la courte durée de vie des qubits, mesurable en microsecondes, nous avons cherché à ralentir les calculs envoyés à nos circuits à deux qubits. Cela nous a permis de regarder en détail ce que les portes et les qubits faisaient sur plusieurs secondes et même minutes.

Normalement en informatique quantique, quelqu'un soumet un programme, ça roule, les mesures sont faites, et le programme s'arrête. Au lieu, nous avons utilisé OpenPulse, un langage de programmation au sein du framework d'informatique quantique open source Qiskit, pour spécifier le contrôle du niveau d'impulsion sur le dispositif quantique. Nous avons ralenti les calculs pour pouvoir voir les processus de bruit de l'ordinateur quantique. Le bruit est une propriété naturelle des qubits, mais limite le nombre de calculs qu'ils peuvent effectuer et introduit des erreurs dans les résultats finaux. Alors que nous poursuivons notre travail dans ce domaine, nous pourrons contribuer aux connaissances de ceux qui étudient comment atténuer ce bruit et créer à l'avenir des ordinateurs quantiques plus robustes et moins sujets aux erreurs.

Notre recherche sert de nouveau cas d'utilisation pour l'informatique quantique. Nous avons montré que le bruit qubit, généralement un obstacle à l'utilisation de l'ordinateur quantique, peut en fait être un avantage par rapport à un ordinateur classique pour les simulations chimiques.

Regarder vers l'avant, nous espérons qu'OpenPulse deviendra davantage un outil pour concevoir le bruit et modifier les signaux quantiques. Le plus grand contrôle qu'OpenPulse peut offrir, mieux les futures expériences pourront simuler et utiliser le bruit pour mieux comprendre des phénomènes chimiques complexes tels que la photosynthèse artificielle et la conversion de l'énergie solaire.