L'ordinateur quantique de Feynman arrive en Chimie. Une vue d'artiste. © IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch

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L'ordinateur quantique de Feynman avec des ions arrive en chimie

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Plusieurs voies existent pour fabriquer des ordinateurs ou pour le moins des simulateurs quantiques spécialisés performants. L'une d'elles utilise des pièges à ions pour lutter contre le problème de la décohérence. Pour la première fois, elle a été appliquée avec succès à des calculs de chimie quantique avec des molécules simples.

On a fêté en mai, cette année, le centenaire de la naissance de Richard Feynman. Le génial physicien est mort trop tôt pour assister à l'essor des calculateurs/simulateurs quantiques et au boom des travaux sur les ordinateurs quantiques qui, eux, sont par définition programmables pour effectuer n'importe quel algorithme et pas un seul comme dans le cas d'un calculateur quantique. Il serait intéressant de savoir ce qu'il aurait dit de ces travaux. D'une part parce qu'il a été un des pionniers de l'introduction de l'idée des ordinateurs/simulateurs quantiques au début des années 1980 et d'autre part parce qu'il n'avait pas sa langue dans sa poche. Or plusieurs experts encore aujourd'hui pensent qu'il n'est pas très crédible d'imaginer voir, un jour, des ordinateurs quantiques vraiment plus performants que des superordinateurs classiques.

En ce qui concerne les simulateurs quantiques, les choses semblent se présenter bien mieux. Et en tout état de cause, on peut comprendre pourquoi des entreprises comme Google et IBM investissent dans des travaux sur l'informatique quantique, car ils pourraient bien aboutir à une nouvelle révolution technologique comparable à celles issues du laser et des semi-conducteurs.

Le CEA l'a bien compris depuis longtemps et il n'est pas en reste car il poursuit des recherches dans ce domaine depuis des années. Ces derniers mois, il a même annoncé que son Centre de calcul recherche et technologie (CCRT) collaborait avec Atos, leader international de la transformation digitale, pour mettre à disposition des utilisateurs industriels du CCRT l'Atos Quantum Learning Machine (QLM). Cette machine, construite par Atos, est l'un des simulateurs quantiques les plus performants au monde. Le CEA a également organisé plusieurs manifestations et publié un dossier sur les révolutions quantiques passées et surtout à venir.

 À l’occasion de la parution du nouveau numéro de sa revue d’information scientifique Clefs CEA, le CEA, en partenariat avec l’École polytechnique, a organisé, le 14 juin 2018, une conférence et table ronde pour percer les secrets des technologies quantiques. © CEA Recherche

L'une des premières applications des simulateurs quantiques envisagées par Feynman consistait à utiliser les lois de mécanique quantique avec des objets quantiques pour simuler d'autres objets quantiques difficilement modélisables, même avec des superordinateurs. En l'occurrence, l'objectif était de pouvoir décrire les propriétés quantiques des molécules un peu complexes en chimie quantique ou encore celui d'objets tout aussi complexes relevant de la physique nucléaire ou des particules élémentaires.

La décohérence, l'obstacle à vaincre pour les ordinateurs de Feynman

Ces dernières années, l'idée des simulateurs quantiques de Feynman est bel et bien arrivée en chimie quantique et en physique nucléaire puisque l'on est arrivé à simuler le comportement de la molécule d'hydrogène, de d'hydrure de lithium, un composé inorganique de formule LiH, mais aussi celui d'un noyau d'atome simple, celui de deutérium. Toutefois, on est toujours confronté au même problème qu'avec les ordinateurs quantiques, celui de la décohérence.

Le calcul quantique nécessite un assez grand nombre de qubits, l'équivalent des bits classiques des ordinateurs, qui puissent rester dans un état de superposition quantique suffisamment longtemps pour que des calculs soient effectués (l'intrication quantique intervient aussi dans ces calculs). Or, cette superposition des états quantiques, comme on dit, est d'autant plus fragile que les qubits sont nombreux de sorte que la cohérence de ces états est détruite d'autant plus rapidement, ce qui au minimum introduit des erreurs dans les calculs. On peut comparer les physiciens et les ingénieurs jouant au jeu du calcul quantique à des constructeurs de châteaux de cartes. Plus ils sont gros, plus ils sont instables et susceptibles de s'effondrer à cause des perturbations extérieures (vent, vibrations etc.).

Les chercheurs dans le domaine du calcul quantique ont donc deux stratégies pour lutter contre la décohérence. Trouver des systèmes quantiques qui sont le plus possible protégés des perturbations de l'environnement pour maintenir suffisamment longtemps la superposition quantique et/ou trouver des astuces pour corriger les erreurs de calculs produites par la décohérence qui génère du bruit dans la musique des calculs quantiques. Cette dernière stratégie n'est pas nouvelle car même les ordinateurs classiques sont affectés par des bruits et nécessitent donc ce que l'on appelle des codes correcteurs d’erreurs pour fonctionner efficacement.

Un piège de Paul avec 20 qubits

Plusieurs types de calculateurs sont explorés pour résoudre ces problèmes. Il y a par exemple des simulateurs ou des ordinateurs quantiques dont les qubits sont portés par des circuits supraconducteurs. Il y a aussi de telles machines qui utilisent des ions piégés dans, par exemple, un piège de Paul. C'est le cas avec un simulateur quantique construit est utilisé par une équipe internationale de chercheurs menée par Cornelius Hempel de l'université de Sydney en Australie.

Comme l'explique un article sur arXiv, ces chercheurs sont les premiers à avoir fait des calculs de chimie quantique avec des pièges à ions. Il s'agissait là aussi de calculer les niveaux d'énergie d'une molécule d'hydrogène (H2) et d'hydrure de lithium. Le simulateur quantique était constitué d'ions calciums pilotés par laser et portant 20 qubits. Seuls 4 qubits ont été utilisés pour mener à bien les calculs.

Il reste du chemin à faire, les molécules simulées sont encore très simples, ce qui permet de vérifier les résultats des calculs facilement, par exemple avec des ordinateurs classiques. Mais à terme, d'ici quelques décennies, on pourrait bien avoir des simulateurs quantiques capables de trouver des voies de synthèse inédites pour, par exemple, catalyser des réactions chimiques importantes. On peut penser à la production d'engrais ou de cellules solaires organiques et de batteries bien plus performantes et moins coûteuses que ce que l'on sait faire aujourd'hui et même de nouvelles molécules pour lutter contre les infections ou le cancer.

  • 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, en particulier pour faire de la chimie quantique.
  • 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.
  • Les derniers succès en date concernent le comportement des électrons dans les orbitales moléculaires de l'hydrure de béryllium (BeH2) et l'utilisation pour la première fois de qubits portés par des ions dans un piège de Paul pour simuler ce genre de molécules simples.
Pour en savoir plus

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

Article de Laurent Sacco publié le 15/09/2017

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.

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.


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.

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