L'une des classes de problèmes les plus importantes que tous les scientifiques et mathématiciens aspirent à résoudre, en raison de leur pertinence à la fois dans la science et dans la vie réelle, sont des problèmes d'optimisation. Des énigmes informatiques ésotériques aux problèmes plus réalistes de tournées de véhicules, conception de portefeuille d'investissement, et le marketing numérique - au cœur de tout cela se trouve un problème d'optimisation qui doit être résolu.

Une technique attrayante souvent utilisée pour résoudre de tels problèmes est la technique du "recuit quantique, ' un cadre qui aborde les problèmes d'optimisation en utilisant le « tunnel quantique » - un phénomène physique quantique - pour sélectionner une solution optimale parmi plusieurs solutions candidates. Ironiquement, c'est dans les problèmes de mécanique quantique que la technique a trouvé une application assez rare. « Chimistes et scientifiques des matériaux, qui traitent des problèmes quantiques, sont pour la plupart peu familiers avec le recuit quantique et ne pensent donc pas à l'utiliser. Trouver des applications de cette technique est donc important pour accroître sa reconnaissance en tant que méthode utile dans ce domaine, " déclare le professeur Ryo Maezono du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), qui se spécialise dans l'application des sciences de l'information au domaine de la science des matériaux.

À cette fin, Le professeur Maezono a exploré, dans une étude récente publiée dans Rapports scientifiques , le phénomène de diffusion ionique dans les solides, un sujet de grand intérêt pour la science des matériaux pure et appliquée, avec ses collègues, Keishu Utimula, un doctorat diplômé en science des matériaux de JAIST (en 2020) et auteur principal de l'étude, Pr Kenta Hongo, et le Pr Kousuke Nakano, en appliquant un cadre combinant le recuit quantique avec des calculs ab initio, une méthode qui calcule les propriétés physiques des matériaux sans s'appuyer sur des données expérimentales. « Alors que les techniques ab initio actuelles peuvent fournir des informations sur les réseaux de chemins de diffusion des ions, il est difficile de transformer cette information en une connaissance utile du coefficient de diffusion, une quantité pratiquement pertinente, " explique le Pr Maezono.

Spécifiquement, l'équipe a cherché à calculer le « facteur de corrélation, ' une grandeur clé dans le processus de diffusion, et s'est rendu compte que cela pouvait être fait en définissant le processus comme un problème d'optimisation de routage, c'est précisément ce que le cadre de recuit quantique est conçu pour résoudre ! Par conséquent, les scientifiques ont calculé le facteur de corrélation pour un simple réseau tétragonal bidimensionnel, dont ils connaissaient déjà le résultat exact, utilisant le recuit quantique et une variété d'autres techniques de calcul et comparé leurs résultats.

Alors que les facteurs de corrélation évalués étaient cohérents avec le résultat analytique pour toutes les méthodes employées, toutes les approches ont souffert de limitations dues à des coûts de calcul irréalistes pour des systèmes de grande taille. Cependant, les scientifiques ont noté que les dépenses de calcul pour le recuit quantique augmentaient beaucoup plus lentement de manière linéaire par rapport aux autres techniques, qui a connu une croissance exponentielle rapide.

Le professeur Maezono est enthousiasmé par la découverte et est convaincu que, avec un progrès technologique suffisant, le recuit quantique se présenterait comme le meilleur choix possible pour résoudre les problèmes de la science des matériaux. "Le problème de la diffusion des ions dans les solides est d'une importance capitale dans la construction de batteries plus petites avec une capacité plus élevée ou l'amélioration de la résistance de l'acier. Nos travaux montrent que le recuit quantique est efficace pour résoudre ce problème et peut élargir le champ de la science des matériaux dans son ensemble, " conclut-il.