Les moments connectés et l’informatique quantique améliorent les simulations chimiques à «plusieurs corps»

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L’avancement de l’informatique quantique nécessite des modèles capables de résoudre les problèmes à plusieurs corps rapidement et avec précision. Ces problèmes impliquent de trois à un nombre infini de particules si petites qu’elles sont soumises à la mécanique quantique. Cette recherche propose un nouvel algorithme pour effectuer des calculs quantiques sur des systèmes chimiques qui réduit l’effet du «bruit» aléatoire sur les résultats. L’approche utilise un outil mathématique appelé « moments connectés » décrit pour la première fois il y a 40 ans. Lorsqu’il est appliqué aux calculs quantiques, l’outil des moments connectés nécessite moins de qubits dans les circuits quantiques pour atteindre le niveau de précision souhaité pour les systèmes à plusieurs corps. Les chercheurs ont utilisé leur méthode pour décrire des modèles relativement simples. Cela leur a permis de comparer les résultats et la précision de leur approche avec des modèles informatiques à grande échelle précédemment validés.


Une nouvelle recherche des chimistes computationnels du PNNL réduit considérablement le temps et les coûts de calcul pour effectuer un type de calcul quantique. © Image de Nathan Johnson | Pacific Northwest National Laboratory.

L’informatique quantique a le potentiel de décrire avec précision le comportement quantique des processus chimiques. D’un point de vue pratique, cette tâche est impossible pour les ordinateurs classiques d’aujourd’hui à effectuer pour des systèmes chimiques de taille moyenne à grande. D’un autre côté, les dispositifs informatiques quantiques actuels sont intrinsèquement bruyants et sujets aux erreurs. Les chercheurs développent des algorithmes pour les simulations quantiques qui réduisent l’effet du bruit. Cependant, ces algorithmes nécessitent des circuits complexes et un grand nombre de qubits, laissant place à l’erreur pour entrer dans les calculs.

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Pour traiter le potentiel d’erreur dans les dispositifs informatiques quantiques, les chercheurs ont développé une approche informatique quantique qui utilise des expansions de moments connectés d’ordre fini et des procédures de calcul abordables pour préparer l’état initial du système. Ils ont utilisé une surface d’énergie potentielle de molécule de dihydrogène et un modèle avec une large gamme de forces de corrélation comme cas de test pour évaluer les performances de cette nouvelle approche. Les résultats des calculs quantiques concordent avec les résultats de l’informatique classique établie. Ce résultat établit la nouvelle approche comme robuste, flexible et précise. L’approche maintient un bon accord avec les solutions exactes même aux limites de dissociation et de forte corrélation, fournissant une preuve supplémentaire de la large utilité de cette approche.

Moments connectés

L’équipe de recherche a appliqué un concept mathématique qui a été décrit pour la première fois il y a 40 ans. Ils ont été attirés par la méthode des moments connectés en raison de sa capacité à reconstruire avec précision l’énergie totale d’un système moléculaire en utilisant beaucoup moins de temps et beaucoup moins de cycles de calculs. Ceci est important car les ordinateurs quantiques d’aujourd’hui sont sujets aux erreurs. Plus il faut de circuits quantiques pour un calcul, plus il y a de risques d’erreurs. En utilisant moins de ces circuits quantiques fragiles, ils ont réduit le taux d’erreur de l’ensemble du calcul, tout en maintenant un résultat précis. “La conception de cet algorithme nous permet de faire l’équivalent d’un calcul quantique à grande échelle avec des ressources modestes”, a déclaré Kowalski.

La méthode d’économie de temps s’applique à la chimie et à la science des matériaux

Dans l’étude, l’équipe a établi la fiabilité de la méthode des moments connectés pour décrire avec précision l’énergie à la fois dans une simple molécule d’hydrogène et dans une simple impureté métallique. L’utilisation de modèles relativement simples a permis à l’équipe de comparer sa méthode avec des modèles informatiques existants à grande échelle connus pour être corrects et précis. “Cette étude a démontré que la méthode des moments connectés peut améliorer la précision et l’abordabilité des méthodes de structure électronique”, a déclaré Kowalski. “Nous travaillons déjà à étendre le travail à des systèmes plus grands et à l’intégrer aux cadres d’informatique quantique émergents”.

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En étudiant à la fois un système chimique et un système matériel, les chercheurs ont montré la polyvalence de l’approche pour décrire l’énergie totale dans les deux systèmes. La préparation de ce soi-disant «état initial» est un tremplin pour étudier des interactions plus complexes entre les molécules – comment l’énergie se déplace pour maintenir les molécules collées ensemble.

Passerelle vers l’informatique quantique

L’étude publiée a utilisé le logiciel d’informatique quantique QISKIT d’IBM, mais des travaux sont déjà en cours pour étendre son utilisation à d’autres plates-formes d’informatique quantique. Plus précisément, l’équipe de recherche travaille à étendre le travail pour soutenir XACC, une infrastructure développée au Oak Ridge National Laboratory. Le logiciel XACC permettra aux scientifiques de tirer parti des ordinateurs de classe mondiale les plus rapides et les plus précis en tant qu’hybride informatique quantique-classique.

La méthode mathématique des moments connectés aide à comprendre la colle énergétique universelle qui lie les molécules entre elles. © Image de Nathan Johnson | Pacific Northwest National Laboratory.

L’impact

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L’utilisation de simulations quantiques fera considérablement progresser la compréhension des processus chimiques par les scientifiques. Ces processus sont essentiels dans des domaines tels que la catalyse, la photochimie, la biochimie et la science des matériaux. Ce travail est une étape prometteuse vers la création de simulations précises de systèmes chimiques complexes. L’approche des moments connectés augmente considérablement l’efficacité. Cela ouvre une nouvelle voie vers l’utilisation efficace des ordinateurs quantiques à l’avenir pour la modélisation des systèmes chimiques.

Voir la publication originale

Kowalski, K. and Peng B., Quantum simulations employing connected moments expansionsJournal of Chemical Physics 153, 201102, (2020). [DOI: 10.1063/5.0030688]

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