Physique quantique, superordinateurs et efficacité des cellules solaires
Des scientifiques aux États-Unis ont appliqué des techniques d’informatique quantique à l’étude de la fission singulet, un phénomène peu compris qui a le potentiel d’augmenter considérablement l’efficacité des cellules solaires. Pour l’instant, l’étude en révèle plus sur les applications potentielles de l’informatique quantique que sur les cellules solaires. Mais les techniques démontrées pourraient éventuellement aider les scientifiques à identifier de meilleurs matériaux pour des cellules solaires très efficaces.
Les simulations informatiques jouent un rôle précieux en aidant les scientifiques à identifier les matériaux dont les caractéristiques valent la peine d’être examinées de plus près. Une enquête menée au Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) du Département américain de l’énergie a utilisé des recherches sur les matériaux des cellules solaires en fournit un exemple, tout en illustrant comment les techniques d’informatique quantique pourraient être utilisées pour simuler des interactions encore plus complexes.
La fission singulet est un processus dans lequel un photon est capable d’exciter deux électrons, ce qui augmente potentiellement considérablement l’efficacité des cellules solaires. Il a été observé qu’il se produit dans divers matériaux, mais il s’est jusqu’à présent avéré difficile de comprendre sa mécanique et de le faire se produire de manière uniforme.
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 peuvent être plus efficaces, a déclaré Daniel Claudino, chercheur au groupe de science computationnelle quantique de l’ORNL. L’inconvénient est qu’il est très difficile de comprendre fondamentalement si un certain matériau présente une fission singulet. Il y a un besoin énergétique spécifique, et il est difficile de trouver des matériaux qui y répondent.
En utilisant Quantinuum H1-1, un ordinateur quantique disponible dans le commerce situé dans le Colorado, le groupe a pu développer une simulation efficace pour identifier les molécules qui présentent une fission singulet et a montré qu’un H linéaire4 La molécule composée de quatre atomes d’hydrogène a le niveau énergétique nécessaire pour le processus de fission singulet qui, selon le groupe, pourrait être une connaissance utile dans le développement de matériaux de cellules solaires plus efficaces.
La simulation est décrite en détail dans l’article Modeling Singlet Fission on a Quantum Computer, publié dans Le Journal des lettres de chimie physique.
L’informatique quantique
Plus précieuse que les découvertes réelles de cette étude est la démonstration d’une application utile pour l’informatique quantique, une technologie encore à ses débuts. Les ordinateurs quantiques sont capables d’aller au-delà des uns et des zéros binaires utilisés dans les ordinateurs conventionnels, et utilisent également les deux positions simultanément, ce qui les rend potentiellement beaucoup plus puissants pour résoudre certains types de problèmes.
Claudino dit que la fission singulet fournit une excellente solution à un problème auquel les ordinateurs quantiques doivent s’attaquer. L’énergétique de la fission singulet tourne autour de doubles excitations électroniques, deux électrons se déplaçant simultanément vers des niveaux d’énergie plus élevés, ce qui est assez difficile à cerner avec des algorithmes pour ordinateurs conventionnels, a déclaré Claudino. Mais la manière sous-jacente dont un ordinateur quantique fonctionne, il peut naturellement traiter les corrélations quantiques qui donnent lieu à ce phénomène de fission singulet.
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Le groupe d’Oak Ridge a utilisé plusieurs stratégies pour garantir un résultat précis tout en réduisant la charge de calcul de ses recherches.
Image : Adam Malin/ORNL
Le groupe a proposé plusieurs façons de simplifier et d’optimiser ses algorithmes pour une utilisation dans l’ordinateur quantique. L’idée est que vous voulez imaginer un moyen d’exploiter l’ordinateur quantique, mais uniquement pour des tâches spécifiques dont nous savons qu’elles peuvent être plus performantes que les ordinateurs conventionnels. , dit Claudino. Pourtant, même dans ce cas, vous êtes toujours limité par l’état actuel de la technique qui nous permet uniquement d’atteindre une certaine taille ou d’effectuer des tâches qui ne prennent qu’un certain temps. C’est le principal goulot d’étranglement lorsqu’on se tourne vers les ordinateurs quantiques.
Le groupe affirme que ses optimisations ont réduit le temps de traitement de plusieurs mois à quelques semaines, démontrant la viabilité de l’informatique quantique et introduisant un ensemble de meilleures pratiques pour l’utilisation des systèmes actuels.
Claudino et ses collègues prévoient maintenant de passer de la fission singulet et d’étudier d’autres applications pour les techniques d’informatique quantique qu’ils ont développées, notamment en examinant l’interaction de la matière et de la lumière.
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