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L'ordinateur quantique de Feynman arrive en chimie

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Il y a presque 30 ans, Richard Feynman proposait d'utiliser les lois de la mécanique quantique pour simuler les systèmes quantiques eux-mêmes, comme des molécules, et ce plus efficacement qu'avec des ordinateurs classiques. Un groupe de chercheur vient de concrétiser cette idée en simulant une molécule d'hydrogène.

Feynman jouant du bongo. Crédit : Tom Harvey

Dans un ordinateur classique, la façon dont s'effectuent les calculs, avec des courants d'électrons, n'est pas fondamentalement différente de celle d'un ordinateur qui serait constitué de boules de billard ou d'engrenages. On manipule des bits d'informations selon les lois de la physique classique.

Or, nous le savons depuis plus de 80 ans, le monde est fondamentalement quantique et il repose sur un substratum hors espace et hors temps. Nous ne pouvons nous en faire de représentations exactes, en accord avec notre intuition et de notre expérience de la vie de tous les jours. Si l'on veut continuer à utiliser des images d'ondes et de particules classiques, ce ne peut être que de façon approximative. Ces représentations doivent être limitées par les inégalités de Heisenberg et sont gouvernées par des amplitudes de probabilités qui interférent.

Simuler le comportement d'un système quantique par des calculs numériques sur un ordinateur classique est donc forcément limité. Cela devient d'autant plus gênant lorsqu'on cherche à comprendre, par exemple, des objets foncièrement quantiques et complexes comme des hadrons faits de quarks, même si on réalise aujourd'hui des prouesses à l'aide d'ordinateurs classiques capables de retrouver la masse du proton.

Pour tenter de contourner l'obstacle, le grand physicien et prix Nobel de physique Richard Feynman a eu l'idée de faire réaliser des calculs quantiques par les systèmes quantiques eux-mêmes. Cette idée émise au début des années 1980 est à l'origine de tous les travaux modernes sur les ordinateurs quantiques et les notions subtiles d'informations et de calculs quantiques.

Deux photons pour un calcul

On s'aperçut alors que certains calculs étaient plus faciles et plus courts au sein d'ordinateurs quantiques. Pour résoudre ces problèmes particuliers, le temps de calcul sur un ordinateur classique croît exponentiellement avec la complexité du problème. Mais pour un système quantique, la croissance suit seulement une loi polynomiale.

La clé pour atteindre ce résultat repose sur la notion de qubit, elle-même étroitement dépendante de la notion de superposition des états d'un système quantique.

De même qu'une particule peut, d'une certaine façon, se retrouver simultanément dans deux endroits à la fois, des calculs quantiques peuvent être menés simultanément (d'une certaine façon aussi). Voilà qui explique en partie pourquoi on peut espérer parfois un gain de temps avec des ordinateurs quantiques.

Malheureusement, pour surpasser les ordinateurs classiques, il faut utiliser plusieurs qubits. Or, lorsque leur nombre augmente, ils deviennent de plus en plus difficiles à obtenir car l'objet les portant devient de plus en plus « gros » et donc dirigé par les lois de la physique classique. Le phénomène de décohérence intervient alors toujours plus rapidement, détruisant la superposition des états et rendant impossibles des calculs quantiques un tant soit peu importants.

On ne sait toujours pas comment s'affranchir de ce problème et c'est peut-être impossible... Toutefois, un groupe de chercheurs mené par Alán Aspuru-Guzik de l'Université d'Harvard et Andrew White de l'Université de Queensland à Brisbane (Australie) vient bel et bien de réussir à faire fonctionner un petit ordinateur quantique. Leur dispositif utilise une paire de photons intriqués pour calculer, avec une excellente précision, les niveaux d'énergies d'un molécule d'hydrogène H2.

Le principe du calcul avait été trouvé par l'équipe d'Harvard et c'est celle de Brisbane qui l'a finalement réalisé en laboratoire. Les chercheurs pensent que cette approche nouvelle pour enfin concrétiser les idées de Feynman dans le domaine de la chimie quantique doit pouvoir déboucher sur des applications plus ambitieuses. Ils pensent que la simulation quantique de molécules plus complexes, comme celle du cholestérol, devrait être à portée de main. Ce ne sera cependant pas le prochaine étape dans cette voie de simulation quantique des molécules, d'autres plus simples seront considérées avant.