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Les réactions chimiques font partie des systèmes les plus complexes à simuler au niveau atomique et moléculaire. Les différents changements de conformation d’une molécule au cours d’une réaction pour former les composés chimiques les plus simples demandent classiquement plus d’une semaine de calcul à un supercalculateur conventionnel. La simulation rapide et précise de systèmes chimiques, jusqu’à l’échelle de la topologie des atomes, est donc un objectif très attendu des ordinateurs quantiques. Et pour démontrer la puissance de la technologie quantique, l’entreprise Google a utilisé son processeur quantique pour lancer la toute première simulation d’une réaction chimique.

L’équipe Google AI Quantum a utilisé son processeur quantique de 54 qubits, Sycamore, pour simuler des changements dans la configuration d’une molécule appelée diazène. En ce qui concerne les réactions chimiques, c’est l’une des plus simples que nous connaissions. Le diazène n’est guère plus qu’un couple d’azote lié par une double liaison, chacun lié à un atome d’hydrogène. Les travaux ont été publiés dans la revue Science.

structure sycamore

(a) Les 54 qubits (53 fonctionnels et 1 dysfonctionnel) de Sycamore connectés entre eux via des coupleurs. (b) Le processeur de Sycamore. Crédits : UC Santa Barbara/Google

Cependant, l’ordinateur quantique a décrit avec précision les changements dans les positions de l’hydrogène pour former différents isomères du diazène. L’équipe a également utilisé son système pour arriver à une description précise de l’énergie de liaison de l’hydrogène dans des chaînes de plus en plus grandes. Aussi simple que ces deux modèles puissent paraître, il se passe beaucoup de choses dans la réaction au niveau quantique.

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Prédictions de l’énergie pour différentes géométries moléculaires du diazène par le modèle d’Hartree-Fock simulé sur 10 qubits du processeur quantique Sycamore. Crédits : Google AI Quantum & al. 2020

Sur le même sujet : Google effectue la plus grande simulation de chimie sur ordinateur quantique jamais réalisée

Des algorithmes spécialement formulés pour tirer parti de la mécanique quantique permettent des raccourcis, réduisant à quelques minutes ce qui prendrait des milliers d’années à un super ordinateur classique. Le simple fait de calculer la somme des actions qui déterminent l’énergie dans une molécule de propane prendrait hypothétiquement plus d’une semaine pour un supercalculateur. Mais il y a un monde de différence entre un instantané de l’énergie d’une molécule et le calcul de toutes les façons dont elles pourraient changer.

La simulation du diazène a utilisé 12 des 54 qubits du processeur Sycamore pour effectuer ses calculs, soit une simulation deux fois plus grande que toutes les tentatives précédentes. L’équipe a également repoussé les limites d’un algorithme conçu pour combiner les processus classiques aux processus quantiques, un algorithme conçu pour corriger les erreurs fréquentes des algorithmes quantiques.

Sources : Science

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