Un nouveau protocole d'informatique quantique pourrait compléter une technique standard permettant de comprendre les molécules en chimie, en biomédecine et en science des matériaux
La puce Willow pour l'informatique quantique de Google
Les chercheurs de Google Quantum AI ont utilisé leur ordinateur quantique Willow pour interpréter les données de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN), un pilier de la recherche en chimie et en biologie. Ces travaux placent les ordinateurs quantiques sur le point de pouvoir augmenter utilement les technologies moléculaires courantes.
Les utilisations les plus rigoureusement prouvées des ordinateurs quantiques concernent le décryptage de la cryptographie, mais les appareils actuels sont trop petits et sujets aux erreurs pour exécuter des algorithmes de décryptage. Un autre domaine dans lequel ils pourraient faire des progrès est l’accélération des procédures utilisées pour découvrir de nouveaux médicaments et matériaux. De telles procédures sont intrinsèquement de nature quantique et correspondent donc bien aux capacités des ordinateurs quantiques. Hartmut Neven et ses collègues de Google Quantum AI ont démontré un exemple dans lequel la capacité d'un ordinateur quantique à « parler le même langage que la nature » pourrait s'avérer précieuse.
Les travaux de l'équipe se sont concentrés sur un protocole informatique appelé Quantum Echoes et sur la manière dont il peut être appliqué à la RMN, utilisée pour déterminer les détails microscopiques de la structure d'une molécule.
L'idée au cœur de Quantum Echoes est similaire à l'effet papillon – le phénomène dans lequel une petite perturbation entraîne de grandes conséquences dans le système plus vaste auquel elle appartient, comme le battement d'ailes d'un papillon conduisant à une tempête lointaine. Les chercheurs en ont utilisé une version quantique dans un système composé de 103 qubits au sein de Willow.
Lors d'expériences, les chercheurs ont d'abord appliqué une séquence d'opérations spécifique à leurs qubits, ce qui a modifié les états quantiques des qubits de manière contrôlée. Ensuite, ils ont choisi un qubit spécifique à perturber, qui agirait comme un « papillon quantique », avant d’appliquer la même séquence d’opérations qu’auparavant mais inversée dans le temps, comme le rembobinage d’une bande vidéo. Enfin, l’équipe a mesuré les propriétés quantiques des qubits, qu’elle a analysés pour obtenir des informations sur l’ensemble du système.
Dans le sens le plus simple, la procédure RMN utilisée dans les laboratoires repose également sur de minuscules perturbations, cette fois en poussant de vraies molécules avec des ondes électromagnétiques, puis en analysant la façon dont le système réagit pour déterminer les positions relatives des atomes, comme une règle moléculaire.. Lorsque les manipulations de qubits imitent ce processus, une analyse mathématique des qubits pourrait également se traduire par des détails sur la structure de la molécule. Tson étape d'informatique quantique a une chance de nous permettre de voir entre des atomes plus éloignés les uns des autres, » déclare Tom O'Brien, membre de l'équipe. « Nous construisons une règle moléculaire plus longue. »
L’équipe estime que l’exécution d’un protocole semblable à Quantum Echoes sur un superordinateur conventionnel prendrait environ 13 000 fois plus de temps. Leurs tests ont également montré que deux ordinateurs quantiques différents pouvaient chacun exécuter des échos quantiques et produire les mêmes résultats, ce qui n'était pas le cas pour certains des algorithmes quantiques défendus par l'équipe dans le passé. O'Brien affirme que cela est possible en partie grâce aux améliorations rapides de la qualité du matériel de Willow, telles que la diminution des taux d'erreur de ses qubits.
Mais il y a encore des améliorations à apporter. Lorsque les chercheurs ont utilisé Willow et Quantum Echoes pour deux molécules organiques, ils n’ont utilisé que 15 qubits à la fois et le résultat du calcul pouvait toujours être égalé par des méthodes conventionnelles non quantiques. En d’autres termes, l’équipe doit encore prouver que Willow possède un avantage pratique incontestable sur ses homologues classiques. La démonstration de cette application spécifique de Quantum Echoes est actuellement préliminaire et n'a pas fait l'objet d'un processus formel d'examen par les pairs.
« La question de la détermination de la structure moléculaire est extrêmement importante et pertinente », déclare Keith Fratus de HQS Quantum Simulations, une société basée en Allemagne qui développe des algorithmes quantiques. Selon lui, créer un lien entre une technique établie comme la RMN et les calculs effectués sur un ordinateur quantique est une étape importante, mais pour le moment, l’utilité de la technique serait probablement limitée à des études hautement spécialisées en biologie.
Dries Sels, de l'Université de New York, affirme que l'expérience de l'équipe utilise un ordinateur quantique plus grand et prend en compte des protocoles et des molécules RMN plus complexes que ceux modélisés auparavant sur des ordinateurs quantiques, y compris par lui et ses collègues. « La simulation quantique est souvent citée comme l’un des principaux cas d’utilisation potentiels des ordinateurs quantiques, mais il existe remarquablement peu d’exemples de cas industriellement intéressants… Je pense que l’inférence de modèles sur des données spectroscopiques, comme la RMN, pourrait s’avérer utile », dit-il. « Je ne pense pas que nous en soyons encore là, mais des travaux comme celui-ci nous motivent à continuer d'étudier le problème. »
O'Brien affirme que l'application des échos quantiques à la RMN deviendra plus utile à mesure que l'équipe continuera à améliorer les performances de ses qubits. Moins ils commettent d’erreurs, plus elles peuvent être utilisées simultanément pour le protocole, prenant ainsi en compte des molécules de plus en plus grosses.
En attendant, la recherche des meilleures utilisations des ordinateurs quantiques est certainement loin d’être terminée. Exécuter des échos quantiques sur Willow est extrêmement impressionnant sur le plan expérimental, mais il est peu probable que l'analyse mathématique qu'elle permet soit largement utilisée, explique Curt von Keyserlingk du King's College de Londres. Selon lui, jusqu'à ce qu'il puisse définitivement surpasser ce que les spécialistes de la RMN font déjà depuis des décennies, son principal attrait sera celui des théoriciens de la physique qui se concentrent sur les études fondamentales des systèmes quantiques. Et le protocole n’est peut-être pas totalement à l’épreuve du temps – von Keyserlingk dit avoir déjà des idées sur la manière dont l’informatique conventionnelle pourrait le concurrencer.
