Des chercheurs ont mis au point un algorithme quantique capable de simuler le comportement de particules minuscules sous l'effet de la chaleur. Cela pourrait ouvrir de nouvelles voies pour les médicaments, les batteries et les matériaux.
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Un ordinateur sans logiciel ne serait qu'un tas d'électronique sans fonction. Il en va de même pour l'ordinateur quantique. Alors que le public ne parle que des progrès du matériel informatique, une clé non moins importante de l'utilisation des ordinateurs quantiques réside dans le logiciel - c'est-à-dire dans les algorithmes, les procédures de correction d'erreurs et les langages de programmation qui permettent de rendre les effets quantiques complexes utilisables. Un groupe de recherche américain dirigé par Chi-Fang Chen du California Institute of Technology vient de mettre au point un algorithme quantique permettant de simuler les plus petites particules sous l'influence de la chaleur. Cet algorithme est le premier du genre et pourrait servir de base à d'autres applications, écrivent les chercheurs dans leur étude publiée dans la revue spécialisée «Nature».
Les interactions entre les particules au niveau moléculaire sont responsables de l'action des médicaments dans le corps ou de la charge des appareils mobiles. Cependant, comme les lois de la mécanique quantique s'appliquent, les ordinateurs classiques ne peuvent simuler ces processus que de manière incomplète ou à grand renfort de calculs. Les possibilités de trouver de nouveaux médicaments, de meilleures batteries et des matériaux innovants à l'aide de simulations de mécanique quantique sont donc limitées. C'est pourquoi de nombreux espoirs reposent sur les ordinateurs quantiques. Ces derniers sont en effet eux-mêmes des systèmes quantiques, ce qui permet d'éviter une grande partie des calculs. Mais tant qu'il n'y aura pas d'ordinateur quantique universel à correction d'erreurs, on ne saura pas ce qui est possible et raisonnablement réalisable dans la réalité.
Dans leur étude actuelle, les auteurs déduisent mathématiquement que leur algorithme peut théoriquement être exécuté sur un ordinateur quantique et reproduire des propriétés fondamentales du système à simuler. L'algorithme quantique présenté vise à décrire comment l'énergie change dans un système physique lorsqu'il est en contact avec la chaleur, c'est-à-dire avec de l'énergie. L'énergie peut influencer les propriétés d'un système. L'équipe de recherche fonde son approche sur une méthode déjà connue dans les simulations classiques : la méthode Markov-Chain-Monte-Carlo. Il s'agit d'une méthode permettant d'approcher des distributions de probabilité compliquées en créant une chaîne d'échantillons aléatoires. Chaque nouvel échantillon ne dépend que de l'état précédent, ce qui permet d'étudier efficacement des distributions de grande dimension ou difficiles à manipuler analytiquement.
Bit versus Qbit Source : Spektrum der Wissenschaft / Emde-Grafik (Ausschnitt)
Deux spécialistes de l'informatique quantique, sollicités par le Science Media Center pour donner leur avis, jugent le concept très prometteur. Mario Berta de l'Université technique de Rhénanie-Westphalie à Aix-la-Chapelle, par exemple, affirme que la structure de l'algorithme quantique proposé est conceptuellement nouvelle et se situe au plus haut niveau scientifique. «Par rapport à de nombreux travaux antérieurs dans le domaine des simulations quantiques, l'étude va nettement plus loin, car elle ouvre une nouvelle voie au potentiel considérable.» L'algorithme présenté pourrait combler une lacune existante en permettant pour la première fois une simulation quantique efficace des états d'équilibre - les méthodes classiques se heurtant ici à des limites fondamentales. C'est un bon candidat pour un premier test sur un futur ordinateur quantique à correction d'erreurs.
Hannes Pichler, professeur de physique quantique théorique à l'université d'Innsbruck, déclare que le nouvel algorithme quantique présente «propriétés qui sont conceptuellement intéressantes, car elles établissent des analogies claires avec les principaux algorithmes classiques». En outre, il démontre de manière compréhensible que la dynamique nécessaire peut en principe être réalisée efficacement sur un ordinateur quantique. Il émet néanmoins une réserve : «L'écart entre les exigences matérielles de ces algorithmes et l'état actuel de la technique reste considérable.» Cela montre que le matériel est tout aussi nécessaire que le logiciel, car sans lui, même l'algorithme le plus sophistiqué reste théorique.
