La course vers le premier ordinateur quantique pratique bat son plein. Entreprises, des pays, collaborateurs, et les concurrents du monde entier se disputent la suprématie quantique. Google dit que c'est déjà là. Mais qu'est ce que ça veut dire? Comment le monde saura-t-il quand il aura été atteint ?

À l'aide d'ordinateurs classiques, Les informaticiens du PNNL ont établi une marque qu'un système quantique devrait dépasser pour établir la suprématie quantique dans le domaine de la chimie.

C'est parce que les ordinateurs classiques les plus rapides disponibles aujourd'hui simulent de mieux en mieux ce qu'un ordinateur quantique sera finalement censé faire. Pour faire ses preuves dans le monde réel, un ordinateur quantique devra être capable de surpasser ce qu'un supercalculateur rapide peut faire. Et c'est là que l'équipe dirigée par PNNL a établi une référence à battre pour les ordinateurs quantiques.

"La simulation classique des problèmes de chimie quantique sert de poteau d'objectif pour les ordinateurs quantiques, " a déclaré Karol Kowalski, un chimiste computationnel au PNNL. "Quand un ordinateur quantique peut battre ce que nos meilleurs systèmes informatiques parallèles peuvent faire, les développeurs d'informatique quantique sauront qu'ils sont là où ils doivent être. C'est une référence pour inspirer l'innovation."

A 113 électrons, la récente simulation de référence est le plus grand système quantique jamais simulé à ce niveau de précision précis à l'aide d'un ordinateur classique. Travailler avec des collaborateurs en Hongrie et en République tchèque, l'équipe du PNNL a établi la référence en simulant la structure d'une structure chimique importante dans la nitrogénase, une enzyme qui convertit l'azote de l'atmosphère en engrais utilisable pour les plantes. L'enzyme fait l'objet d'études approfondies car elle pourrait être la clé de la production de suffisamment de nourriture pour nourrir une population mondiale en constante augmentation.

Comprendre comment cette enzyme est capable de briser la forte triple liaison azotée, en dépensant très peu d'énergie, pourrait être la clé de la nouvelle conception du catalyseur, fournissant à terme des engrais abondants actuellement produits à l'aide d'un procédé chimique nécessitant d'importants apports énergétiques.

Réduire le problème de la chimie quantique

"La chimie quantique complexe est exactement le genre de problème où avoir un ordinateur quantique disponible pourrait vraiment faire une différence, " dit Sriram Krishnamoorthy, expert en calcul haute performance et scientifique principal en calcul quantique au PNNL. "Nous travaillons à la création des programmes qui fonctionneront sur les ordinateurs quantiques.

"Quand les ordinateurs quantiques arrivent, nous serons prêts pour eux, " a déclaré Krishnamoorthy.

Krishnamoorthy, Kowalski, et leurs collègues du PNNL travaillent en collaboration avec des partenaires de Microsoft, via le Northwest Quantum Nexus, à la fois simuler le fonctionnement d'un ordinateur quantique et écrire des programmes qui fonctionneront sur n'importe quel ordinateur quantique qui émergera de la concurrence mondiale intense.

« Ordinateurs conventionnels, y compris les supercalculateurs les plus rapides d'aujourd'hui, sont inadéquats pour simuler les systèmes quantiques requis pour décrire des systèmes et des processus moléculaires difficiles et importants, " a déclaré Kowalski. " De meilleurs outils de calcul sont nécessaires pour comprendre les systèmes chimiques et concevoir de nouveaux matériaux. "

Jusqu'à ce qu'un ordinateur quantique à grande échelle soit disponible, l'équipe du PNNL a travaillé avec des experts de Microsoft pour développer un pont entre les ordinateurs numériques actuels et ce qui va suivre. Le flux de travail tire parti de ce que les ordinateurs classiques font bien maintenant, tout en utilisant les capacités actuelles de l'informatique quantique pour décrire les transformations chimiques pertinentes pour les processus industriels tels que la production et le stockage d'énergie.

La clé, selon l'équipe de recherche, était de prendre la sortie d'un ordinateur classique et de pouvoir convertir cette information en une entrée pouvant être interprétée par un ordinateur quantique. Les chercheurs ont publié cette méthode de calcul quantique à la mi-2019.

Depuis, l'équipe du PNNL a franchi une nouvelle étape importante dans le rapprochement des ordinateurs classiques et quantiques. Ils ont développé un algorithme informatique qui tire parti d'une astuce mathématique appelée "downfolding". Essentiellement, le repliement vers le bas rend possible des calculs difficiles et longs sur les ordinateurs quantiques de banc d'essai actuels.

"C'est comme réduire une grande boîte en une boîte beaucoup plus petite, " dit Kowalski. " Dans ce cas, la boîte représente un immense espace numérique. Nous utilisons une description plus compacte dans un ordinateur quantique, et ce qui en sort représente avec précision l'énergie du système beaucoup plus vaste. C'est un pont entre l'informatique classique et ce que sera l'informatique quantique dans les années à venir."

Cela peut sembler être un tour de magie mathématique, mais Kowalski ajoute que la méthode utilise des propriétés de la mécanique quantique et une série de théories mathématiques rigoureuses qui sont fiables et reproductibles.

Ouverture de nouvelles portes

La méthode du downfolding ouvre non seulement des voies à l'informatique quantique, il permet également de nouvelles, des moyens beaucoup plus efficaces et précis d'analyser et de valider les rames de données générées chaque jour par l'investissement américain dans les sources lumineuses soutenues par le département américain de l'Énergie (DOE) utilisées pour étudier notre monde dans les détails subatomiques.

"Nous avons montré comment le comportement quantique d'états électroniques excités peut être analysé avec un repliement hamiltonien, " a déclaré Kowalski. "Cela fournit un moyen d'utiliser la théorie pour valider l'interprétation des données."

Ces étapes intermédiaires sur la voie de l'informatique quantique sont essentielles car elles fournissent des repères essentiels qui aident à montrer à quel point le monde est proche d'atteindre la suprématie quantique.

"Nous pourrons tester la sortie des ordinateurs quantiques par rapport à ces calculs, " a déclaré Krishnamoorthy. " Si les ordinateurs quantiques peuvent produire des résultats proches de ces résultats, nous saurons qu'ils fonctionnent.