Travaillant en tandem, un ordinateur quantique et un supercalculateur ont modélisé le comportement de plusieurs molécules, ouvrant la voie à des applications utiles en chimie et en recherche pharmaceutique
Parties d'un ordinateur quantique IBM affiché
Un ordinateur quantique et un supercalculateur conventionnel qui travaillent ensemble pourraient devenir un outil inestimable pour comprendre les produits chimiques. Une collaboration entre IBM et l'Institut scientifique japonais Riken a maintenant établi une voie pour y arriver.
Prédire ce qu'une molécule fera dans une réaction – par exemple, dans le cadre d'un traitement médical ou d'un catalyseur industriel – dépend souvent de la compréhension des états quantiques de ses électrons. Les ordinateurs quantiques pourraient accélérer le processus de calcul de ces états, mais dans leur forme actuelle, ils sont toujours sujets aux erreurs. Les supercalculateurs conventionnels peuvent prendre ces erreurs avant de devenir un problème.
Dans une déclaration conjointe à Nouveau scientifiqueSeiji Yunoki et Mitsuhisa Sato à Riken ont déclaré que les ordinateurs quantiques peuvent pousser les ordinateurs traditionnels vers de nouvelles capacités. Maintenant, eux et leurs collègues ont utilisé l'ordinateur quantique Heron d'IBM et le supercalculateur FUGAKU de Riken pour modéliser l'azote moléculaire, ainsi que deux molécules différentes en fer et en soufre.
Les chercheurs ont utilisé jusqu'à 77 bits quantiques, ou qubits, et un algorithme appelé SQD pour diviser le calcul des états quantiques des molécules entre les machines. L'ordinateur quantique a fait des calculs pendant que le supercalculateur a vérifié et corrigé les erreurs. Par exemple, si Heron produisait une fonction mathématique décrivant plus d'électrons que contenue dans la molécule à accomplir, Fugaku jetterait cette partie de la solution et aurait la mise à jour du héron et répéterait le calcul.
Cette méthode hybride ne dépasse pas encore le meilleur cas de ce qu'un supercalculateur pourrait faire seul, mais il est compétitif avec certaines approches standard, explique Jay Gambetta chez IBM, qui n'était pas impliquée dans l'expérience. «Il s'agit (maintenant) de comparer les outils de calcul.»
À court terme, cette intervention est la «sauce secrète» pour obtenir des ordinateurs quantiques sujets aux erreurs pour faire de la chimie, explique Kenneth Merz à la Cleveland Clinic en Ohio. En utilisant un ordinateur quantique IBM différent à un ordinateur classique, son équipe a développé une variation de l'algorithme SQD qui peut modéliser les molécules dans les solutions, qui est une représentation plus réaliste des expériences chimiques que les modèles précédents.
De l'avis de Merz, d'autres optimisations de SQD pourraient aider la combinaison de l'informatique quantique et conventionnelle à gagner des avantages tangibles par rapport à ce dernier au cours de la prochaine année.
«La combinaison de quantum et de supercalcuting ne vaut pas seulement la peine – elle est inévitable», explique Sam Stanwyck de la société informatique Nvidia. Une utilisation réaliste de l'informatique quantique est celle où les processeurs quantiques sont intégrés à de puissants processeurs classiques dans un centre de supercalculateur, dit-il. NVIDIA a déjà développé une plate-forme logicielle qui vise à prendre en charge ces approches hybrides.
Aseem Datar chez Microsoft dit que son entreprise a son objectif sur le «potentiel énorme dans la combinaison de l'informatique quantique, du supercalcul et de l'IA pour accélérer et transformer la chimie et la science des matériaux».
Mais alors que les parties prenantes de l'industrie de l'informatique quantique défendent l'idée, de nombreux défis demeurent. Markus Reiher chez ETH Zurich en Suisse affirme que les résultats de l'expérience Riken sont encourageants, mais il n'est pas encore clair si cette approche deviendra le moyen préféré de mener des calculs de chimie quantique. D'une part, la précision de la réponse finale de la paire de computer quantique-supercuter reste incertaine. D'autre part, il existe déjà des méthodes conventionnelles bien établies pour effectuer de tels calculs – et ils fonctionnent très bien.
La promesse d'incorporer un ordinateur quantique dans le processus de calcul est qu'elle pourrait aider à modéliser des molécules plus grandes ou fonctionner plus rapidement. Mais Reiher dit que la mise à l'échelle de la nouvelle approche peut être difficile.
Gambetta dit qu'une nouvelle version de l'ordinateur Heron Quantum d'IBM a été installée chez Riken en juin – et cela fait déjà moins d'erreurs que les modèles antérieurs. Il prévoit des améliorations matérielles encore plus importantes dans un avenir proche.
Les chercheurs peaufinent également l'algorithme SQD et optimisent la façon dont Heron et Fugaku travaillent en parallèle pour rendre le processus plus efficace. Merz dit que la situation est similaire à celle des superordinateurs conventionnels dans les années 1980: il n'y a pas de pénurie de problèmes ouverts, mais l'intégration de nouvelles technologies pourrait offrir de grands rendements.
