L'ordinateur quantique de Feynman a battu un record en simulant sa plus grosse molécule. Ici, une photo prise au microscope montrant des circuits quantiques. © IBM, Kandala et al., Nature

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Record : l'ordinateur quantique de Feynman simule sa plus grosse molécule

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Des chercheurs d'IBM sont parvenus à simuler la plus grosse molécule à ce jour à l'aide d'un ordinateur quantique. Cette performance pourrait bien révolutionner la chimie des médicaments.

  • Richard Feynman a été un des premiers à comprendre qu'il était possible de contourner les limitations des ordinateurs classiques en développant des ordinateurs et des simulateurs quantiques.
  • Des physiciens sont en train de prouver, depuis quelques années, que ce prix Nobel de physique avait vu juste. Ils réussissent en effet à modéliser des molécules quantiques à l'aide d'autres systèmes quantiques.
  • Le dernier succès en date concerne le comportement des électrons dans les orbitales moléculaires de l'hydrure de béryllium (BeH2).

Interview : en quoi un ordinateur quantique est-il différent ?  Le monde quantique est fascinant : à cette échelle, par exemple, les objets peuvent se trouver simultanément dans plusieurs états. Exploitant ce principe, un ordinateur quantique aurait des possibilités bien plus vastes qu’un modèle classique. Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Claude Aslangul, professeur à l’UPMC, afin qu'il nous explique le fonctionnement de cette étrange machine. 

Au début des années 1980, probablement frustré par les difficultés concernant la résolution des équations quantiques de la théorie de force nucléaire forte (la QCD), même en utilisant des ordinateurs classiques en suivant les idées proposées par Kenneth Wilson, le prix Nobel de physique Richard Feynman a proposé de contourner le problème en utilisant la mécanique quantique elle-même. Plus généralement, il s'agissait d'utiliser celle-ci pour simuler efficacement le comportement d'un système quantique à l'aide d'un autre système quantique. Feynman a donc été un de ceux qui ont posé les bases théoriques de ce que l'on appelle de nos jours « des simulateurs et des ordinateurs quantiques ».

Une des applications prometteuses de ces machines, qui exploitent les concepts centraux de la mécanique quantique (les amplitudes de probabilité pour un système physique possédant des énergies données, leur principe de superposition et le mystérieux phénomène d'intrication quantique qu'exhibe spectaculairement l'effet EPR), est la description de molécules en chimie quantique. Potentiellement, celle-ci pourrait nous permettre de mieux comprendre les propriétés chimiques de certains médicaments et, donc, de les améliorer, voire de les concevoir sur mesure pour traiter une maladie.

En 1964, Richard Feynman a donné un cycle de conférences intitulé « La nature des lois physiques », à l'université Cornell (États-Unis). Ici, la sixième conférence sur la mécanique quantique. © Galileo51 Galilei

Simuler le comportement des médicaments

C'est un défi redoutable, même pour un superordinateur classique, que de décrire un petit nombre d'atomes avec leur cortège d'électrons en interaction et formant des liaisons chimiques, même en utilisant la fameuse approximation de Born-Oppenheimer. Les molécules actives des médicaments de base contiennent de 50 à 80 atomes et les protéines des cellules sur lesquelles elles agissent, et que l'on doit aussi simuler, contiennent des milliers d'atomes. Même aujourd'hui, des ordinateurs aussi puissants que le « Sequoia », développé par la société américaine IBM, simulent péniblement le comportement d'une molécule de quelques centaines d'atomes tout au plus.

Or, justement, les chercheurs de Big Blue entendent bien relever le défi. Ils se sont lancés depuis des années dans la course mondiale aux ordinateurs et aux simulateurs quantiques. Ils viennent d'ailleurs aujourd'hui d'annoncer qu'ils avaient battu un précédent record dans le domaine de la simulation quantique des molécules, comme ils l'expliquent dans un article déposé sur arXiv.

À l'aide de circuits quantiques supraconducteurs portant 7 qubits, ils sont parvenus à simuler le comportement des électrons dans les orbitales moléculaires de deux nouvelles molécules, l'hydrure de lithium (LiH) et, surtout, l'hydrure de béryllium (BeH2). Le précédent record de taille pour un simulateur quantique était une molécule d'hydrogène (H2), comme Futura l'expliquait dans un précédent article (voir ci-dessous).

Pour de telles molécules, les ordinateurs classiques suffisent encore, mais, justement, cela a permis de comparer les prédictions des deux approches et de valider les résultats obtenus avec les circuits quantiques. Il reste cependant encore beaucoup de chemin à parcourir pour atteindre le graal des simulateurs et des ordinateurs quantiques en chimie, probablement autant que celui qui séparait les premiers avions de la navette spatiale.

Pour en savoir plus

L'ordinateur quantique de Feynman arrive en chimie

Article de Laurent Sacco publié le 15/01/2010

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.

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.

Richard Feynman avait de multiples talents, dont celui de joueur de Bongo. © Tom Harvey

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'une 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 la prochaine étape dans cette voie de simulation quantique des molécules, d'autres plus simples seront considérées avant.