Une nouvelle étude fusionne avec succès les techniques informatiques quantiques et traditionnelles pour améliorer les simulations de systèmes complexes. Grâce à QUBO, les chercheurs ont obtenu de meilleures performances informatiques dans la simulation de mélanges de polymères, démontrant ainsi le potentiel d’applications plus larges dans la recherche moléculaire. Crédit : Issues.fr.com
Une nouvelle étude montre comment l’informatique quantique peuvent être exploités pour découvrir de nouvelles propriétés des systèmes polymères essentiels à la biologie et à la science des matériaux.
L’avènement de l’informatique quantique ouvre des perspectives auparavant inimaginables pour résoudre des problèmes jugés hors de portée des ordinateurs conventionnels, de la cryptographie et de la pharmacologie aux propriétés physiques et chimiques des molécules et des matériaux. Cependant, les capacités de calcul des ordinateurs quantiques actuels sont encore relativement limitées. Une étude récemment publiée dans Avancées scientifiques favorise une alliance inattendue entre les méthodes utilisées en informatique quantique et traditionnelle.
L’équipe de recherche, formée par Cristian Micheletti et Francesco Slongo de SISSA à Trieste, Philipp Hauke de l’Université de Trente et Pietro Faccioli de l’Université de Milan-Bicocca, a utilisé une approche mathématique appelée QUBO (de « Quadratic Unconstraint Binary Optimization »). qui convient parfaitement à des ordinateurs quantiques spécifiques, appelés « recuits quantiques ».
Révolutionner la simulation des polymères
L’étude a exploité l’approche QUBO pour simuler d’une manière radicalement nouvelle des mélanges de polymères denses, qui sont des systèmes physiques complexes au cœur de la biologie et de la science des matériaux. Le résultat? Les ordinateurs quantiques ont considérablement amélioré les performances de calcul par rapport aux techniques traditionnelles, fournissant ainsi un exemple significatif du vaste potentiel de ces technologies émergentes. Remarquablement, l’approche QUBO s’est révélée particulièrement efficace même lorsqu’elle a été adoptée sur des ordinateurs conventionnels, permettant aux chercheurs de découvrir des propriétés surprenantes des mélanges de polymères simulés.
Les implications peuvent être considérables étant donné que l’approche utilisée dans l’étude est naturellement adaptée pour être transférée à de nombreux autres systèmes moléculaires.
Une nouvelle perspective inspirée par la recherche en informatique quantique
« Les techniques de simulation connues sous le nom de « Monte Carlo » comptent depuis longtemps parmi les méthodes les plus puissantes, les plus élégantes et les plus polyvalentes pour étudier des systèmes complexes, tels que les polymères synthétiques ou biologiques, tels que ADN» explique Cristian Micheletti, qui a coordonné l’étude. « Cependant, l’efficacité de ces méthodes diminue à mesure que la densité et la taille du système augmentent. Pour cette raison, l’étude de systèmes réalistes, tels que l’organisation des chromosomes dans le noyau cellulaire, nécessite d’énormes investissements en ressources informatiques.
Francesco Slongo, doctorant au SISSA et premier auteur de l’étude, poursuit : « Les ordinateurs quantiques promettent d’importantes améliorations des performances informatiques, bien qu’avec les inévitables limitations des nouvelles technologies. Et c’est là qu’intervient la nouvelle stratégie de simulation, qui est parfaitement adaptée aux ordinateurs quantiques pionniers d’aujourd’hui, et qui peut pourtant être transférée avec succès même aux ordinateurs traditionnels.
Relier l’informatique quantique et classique
Comme le notent Philipp Hauke et Pietro Faccioli : « Actuellement, il existe déjà des machines quantiques dédiées à la résolution de QUBO, et elles peuvent être très efficaces. Nous avons reformulé les modèles de polymères conventionnels dans le cadre QUBO pour exploiter de manière optimale ces machines. Étonnamment, la reformulation QUBO s’est également révélée avantageuse sur les ordinateurs traditionnels, permettant une simulation plus rapide des polymères denses qu’avec les méthodes établies. Grâce à cela, nous avons établi des propriétés jusqu’alors inconnues pour ces systèmes, le tout à l’aide d’ordinateurs standards.
Implications, défis et orientations futures
Il est déjà arrivé que des modèles physiques créés pour tirer pleinement parti des technologies informatiques innovantes connaissent un tel succès qu’ils finissent par être transférés dans différents domaines. Le cas le plus connu est celui des modèles fluides basés sur un réseau, conçus pour les supercalculateurs des années 1990, mais désormais largement utilisés pour de nombreux autres systèmes et types d’ordinateurs.
L’étude en Avancées scientifiques fournit un autre exemple, démontrant comment les méthodologies inspirées de l’informatique quantique peuvent ouvrir la voie à l’exploration de nouveaux matériaux et à la compréhension du fonctionnement des systèmes moléculaires d’intérêt biologique.
La recherche a été financée par la subvention NRRP CN 00000013 CN-HPC, M4C2I1.4, parlait 7, financée par NextGenerationEU, et par la subvention de démarrage ERC StrEnQTh (ID de projet 804305). Ce projet a été financé par l’Union européenne dans le cadre du programme Horizon Europe — Grant Agreement 101080086 — NeQST. Cependant, les points de vue et opinions exprimés sont uniquement ceux du ou des auteurs et ne reflètent pas nécessairement ceux de l’Union européenne ou de la Commission européenne. Ni l’Union européenne ni l’autorité qui a accordé le financement ne peuvent être tenues pour responsables.
