Lorsqu'une molécule absorbe la lumière, elle subit un tourbillon de transformations quantiques-mécaniques. Les électrons sautent entre les niveaux d'énergie, les atomes vibrent et les liaisons chimiques changent – toutes à moins d'un milliardième de seconde.
Ces processus sous-tendent tout, de la photosynthèse dans les plantes et les dommages à l'ADN sous la lumière du soleil, au fonctionnement des cellules solaires et aux thérapies contre le cancer alimentées par la lumière.
Pourtant, malgré leur importance, les processus chimiques motivés par la lumière sont difficiles à simuler avec précision. Les ordinateurs traditionnels luttent, car il faut une vaste puissance de calcul pour simuler ce comportement quantique.
Les ordinateurs quantiques, en revanche, sont eux-mêmes des systèmes quantiques – donc le comportement quantique vient naturellement. Cela rend les ordinateurs quantiques des candidats naturels pour simuler la chimie.
Jusqu'à présent, les dispositifs quantiques n'ont pu calculer que des choses immuables, telles que les énergies des molécules. Notre étude, publiée dans le Journal de l'American Chemical Societydémontre que nous pouvons également modéliser comment ces molécules changent avec le temps.
Nous avons simulé expérimentalement comment des molécules réelles spécifiques se comportent après avoir absorbé la lumière.
Simulant la réalité avec un seul ion
Nous avons utilisé ce qu'on appelle un ordinateur quantique piégé. Cela fonctionne en manipulant les atomes individuels dans une chambre à vide, maintenue en place avec des champs électromagnétiques.
Normalement, les ordinateurs quantiques stockent des informations à l'aide de bits quantiques ou de qubits. Cependant, pour simuler le comportement des molécules, nous avons également utilisé des vibrations des atomes dans l'ordinateur appelé «modes bosoniques».
Cette technique est appelée simulation mixte Qudit-boson. Il réduit considérablement l'ampleur d'un ordinateur quantique dont vous avez besoin pour simuler une molécule.
Nous avons simulé le comportement de trois molécules absorbant la lumière: Allene, Butatriene et Pyrazine. Chaque molécule présente des interactions électroniques et vibratoires complexes après avoir absorbé la lumière, ce qui en fait des cas de test idéaux.
Notre simulation, qui a utilisé un laser et un seul atome dans l'ordinateur quantique, a ralenti ces processus d'un facteur de 100 milliards. Dans le monde réel, les interactions prennent des Femtosecondes, mais notre simulation s'est déroulée en millisecondes – assez debout pour que nous puissions voir ce qui s'est passé.
Un million de fois plus efficace
Ce qui rend notre expérience particulièrement importante, c'est la taille de l'ordinateur quantique que nous avons utilisé.
Effectuer la même simulation avec un ordinateur quantique traditionnel (sans utiliser de modes bosoniques) nécessiterait 11 qubits et effectuer des opérations d'environ 300 000 « enchevêtrements » sans erreurs. Ceci est bien hors de portée de la technologie actuelle.
En revanche, notre approche a accompli la tâche en zappant un seul ion piégé avec une seule impulsion laser. Nous estimons que notre méthode est au moins un million de fois plus économe en ressources que les approches quantiques standard.
Nous avons également simulé la dynamique « système ouvert », où la molécule interagit avec son environnement. Il s'agit généralement d'un problème beaucoup plus difficile pour les ordinateurs classiques.
En injectant le bruit contrôlé dans l'environnement de l'ion, nous avons reproduit comment les vrais molécules perdent de l'énergie. Cela a montré que la complexité environnementale peut également être capturée par simulation quantique.
Quelle est la prochaine étape?
Ce travail est un pas en avant important pour la chimie quantique. Même si les ordinateurs quantiques actuels sont encore limités à l'échelle, nos méthodes montrent que de petites expériences bien conçues peuvent déjà résoudre les problèmes d'intérêt scientifique réel.
La simulation du comportement réel des atomes et des molécules est un objectif clé de la chimie quantique. Il facilitera la compréhension des propriétés de différents matériaux et peut accélérer les percées de la médecine, des matériaux et de l'énergie.
Nous pensons qu'avec une augmentation modeste de l'échelle – à peut-être 20 ou 30 ions – les simulations de Quantum pourraient lutter contre les systèmes chimiques trop complexes pour tout supercalculateur classique. Cela ouvrirait la porte aux progrès rapides du développement de médicaments, de l'énergie propre et de notre compréhension fondamentale des processus chimiques qui stimulent la vie elle-même.
