Un groupe de scientifiques du laboratoire Ames du ministère américain de l’énergie a mis au point des algorithmes de calcul quantique capables de simuler de manière efficace et très précise les propriétés statiques et dynamiques des systèmes quantiques. Ces algorithmes sont des outils précieux pour mieux comprendre la physique et la chimie des matériaux complexes, et ils sont spécifiquement conçus pour fonctionner sur les ordinateurs quantiques existants et futurs.
Le scientifique Yong-Xin Yao et ses partenaires de recherche au laboratoire Ames utilisent la puissance des ordinateurs avancés pour accélérer les découvertes en physique de la matière condensée, en modélisant des mécanismes quantiques incroyablement complexes et la façon dont ils évoluent sur des échelles de temps ultrarapides. Les ordinateurs haute performance actuels peuvent modéliser les propriétés de petits systèmes quantiques très simples, mais les systèmes plus grands ou plus complexes augmentent rapidement le nombre de calculs qu’un ordinateur doit effectuer pour parvenir à un modèle précis, ce qui ralentit le rythme non seulement des calculs, mais aussi des découvertes.
“Il s’agit d’un véritable défi étant donné le stade précoce actuel de la recherche existante. l’informatique quantique “, a déclaré Yao, ” mais c’est aussi une opportunité très prometteuse, car ces calculs submergent les systèmes informatiques classiques, ou prennent beaucoup trop de temps pour fournir des réponses opportunes. “
Les nouveaux algorithmes exploitent les capacités des ordinateurs quantiques existants en générant de manière adaptative puis en adaptant le nombre et la variété des “suppositions éclairées” que l’ordinateur doit faire pour décrire avec précision l’état de plus basse énergie et la mécanique quantique évolutive d’un système. Les algorithmes sont évolutifs, ce qui leur permet de modéliser avec précision des systèmes encore plus grands avec les ordinateurs quantiques actuels “bruyants” (fragiles et sujets aux erreurs) et leurs itérations futures.
“La modélisation précise des systèmes de spin et des systèmes moléculaires n’est que la première partie de l’objectif”, a déclaré M. Yao. “Dans l’application, nous voyons que cela est utilisé pour résoudre des problèmes complexes de science des matériaux. Grâce aux capacités de ces deux algorithmes, nous pouvons guider les expérimentateurs dans leurs efforts pour contrôler les propriétés des matériaux comme le magnétisme, la supraconductivité, les réactions chimiques et la conversion photo-énergétique.”
Notre objectif à long terme est de parvenir à un “avantage quantique” pour les matériaux – d’utiliser l’informatique quantique pour atteindre des capacités qui ne peuvent être réalisées sur aucun superordinateur aujourd’hui”, a déclaré Peter Orth, scientifique au laboratoire Ames.
Ce sujet est traité plus en détail dans deux articles : (1)”Simulation de la dynamique quantique variationnelle adaptative.,” dont les auteurs sont Y.-X. Yao, N. Gomes, F. Zhang, C.-Z. Wang, K.-M. Ho, T. Iadecola, et P. P. Orth ; et publié dans PRX Quantum ; (2) “Approche variationnelle adaptative de l’évolution du temps imaginaire quantique pour la préparation de l’état fondamental.,” dont les auteurs sont N. Gomes, A. Mukherjee, F. Zhang, T. Iadecola, C.-Z. Wang, K.-M. Ho, P. P. Orth, Y.-X. Yao ; accepté dans Technologies quantiques avancées.
Le laboratoire d’Ames est un laboratoire national de l’Office of Science du ministère de l’Énergie des États-Unis exploité par l’université d’État de l’Iowa. L’Ames Laboratory crée des matériaux, des technologies et des solutions énergétiques innovants. Nous utilisons notre expertise, nos capacités uniques et nos collaborations interdisciplinaires pour résoudre des problèmes mondiaux.
Le laboratoire d’Ames est soutenu par l’Office of Science du département de l’énergie des États-Unis. L’Office of Science est le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis, et travaille à relever certains des défis les plus pressants de notre époque.
