L’équipe de chercheurs du Département de l’Énergie du Laboratoire National Oak Ridge (ORNL) a récemment obtenu un résultat scientifique intrigant grâce à l’utilisation optimale du superordinateur quantique Quantinuum H1-1.
En modélisant le processus de la fission singulet – où l’absorption d’un seul photon de lumière par une molécule produit deux états excités – l’équipe a non seulement démontré les meilleures pratiques pour le calcul scientifique sur les systèmes quantiques actuels, mais a aussi généré une connaissance précieuse pour le développement de panneaux solaires plus efficaces.
La fission singulet et l’efficacité solaire
La fission singulet, qui voit la production de deux états excités à partir de l’absorption d’un seul photon de lumière par une molécule, est au cœur de la recherche du groupe. En particulier, l’équipe s’est concentrée sur la molécule linéaire H4 – une molécule composée de quatre atomes d’hydrogène disposés de manière linéaire. Ils ont confirmé que les niveaux énergétiques de cette molécule correspondent aux exigences du processus de fission singulet, une découverte qui pourrait s’avérer utile dans le développement de panneaux solaires plus efficaces.
« Les cellules solaires conventionnelles ont une efficacité maximale théorique d’environ 33%, mais il a été postulé que les matériaux qui présentent une fission singulet peuvent dépasser cette limite et être plus efficaces« , a déclaré Daniel Claudino, scientifique de recherche dans le groupe de Science Computationnelle Quantique de l’ORNL et principal investigateur du projet.
Simulation quantique : un outil précis et efficace
Grâce à son approche innovante d’utilisation d’un ordinateur quantique, l’équipe de l’ORNL a pu identifier des molécules démontrant les propriétés de la fission singulet, tout en évitant les approximations couramment trouvées dans les techniques utilisées pour les ordinateurs classiques.
En raison de la nature multi-états de la fission singulet, l’équipe a eu besoin d’une méthode de calcul capable de décrire tous les états quantiques du processus sur un pied d’égalité pour calculer des nombres énergétiques précis. Pour cela, ils se sont tournés vers PDS, un solveur quantique basé sur l’approche Peeters-Devreese-Soldatov et développé au Pacific Northwest National Laboratory.
« La façon dont fonctionne un ordinateur quantique peut naturellement traiter les corrélations quantiques qui donnent lieu à ce phénomène de fission singulet« , a ajouté Daniel Claudino. « C’est là que nous avons réalisé que, ‘oui, nous devrions utiliser un ordinateur quantique pour traiter quelque chose qui est intrinsèquement quantique’.«
Surmonter les défis : des stratégies pour diminuer la charge de calcul
Même si les systèmes informatiques quantiques restent sujets à des taux d’erreur élevés, l’équipe a dû compenser ce défi pour obtenir des résultats fiables. Pour ce faire, ils ont mis en œuvre trois stratégies indépendantes pour réduire la charge de calcul du problème, réduisant ainsi leur temps de solution de plusieurs mois à quelques semaines.
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« Nous avons réalisé que si nous voulions simplement jeter tout cela dans un ordinateur quantique, cela ne fonctionnerait pas parce que c’est encore trop pour la technologie actuelle« , a souligné Daniel Claudino. « L’idée est que vous voulez imaginer une façon de puiser dans l’ordinateur quantique, mais seulement pour des tâches spécifiques que nous savons qu’il peut exécuter mieux que les ordinateurs conventionnels.«
En synthèse
Cette initiative du groupe ORNL a démontré la capacité des ordinateurs quantiques actuels à aborder des problèmes scientifiques susceptibles d’avoir un impact sur la vie quotidienne. Malgré les défis que présente la technologie quantique, la perspective de son utilisation pour augmenter l’efficacité des panneaux solaires témoigne de son potentiel.
Les résultats de ces travaux ont été publiés dans The Journal of Physical Chemistry Letters.
Le projet a été financé par l’Office of Basic Energy Sciences du ministère de l’énergie. L’accès au H1-1, un ordinateur quantique prêt à l’emploi construit par Quantinuum (anciennement Honeywell), a été fourni par le Quantum Computing User Program de l’Oak Ridge Leadership Computing Facility, un centre d’utilisateurs du DOE Office of Science.
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Les membres de l’équipe de l’ORNL ont appliqué trois stratégies indépendantes pour réduire la charge de travail informatique de leur projet, ce qui a permis de ramener le délai de résolution de plusieurs mois à quelques semaines. Tout d’abord, dans le cadre d’une technique appelée « qubit tapering », ils ont diminué le nombre de qubits nécessaires pour exprimer le problème, réduisant ainsi la taille du problème lui-même. Deuxièmement, ils ont pris moins de mesures pour résoudre le problème en mesurant des groupes de termes une seule fois au lieu de mesurer chaque terme individuel de chaque groupe (un processus appelé commutativité du qubit). Enfin, au lieu de mettre en œuvre chaque circuit individuellement, ils ont trouvé un moyen de faire fonctionner quatre circuits en parallèle, ce qui leur a permis d’utiliser les 20 qubits du H1-1. Crédit d’illustration : Adam Malin/ORNL.
