Algorithmiq et Fraunhofer ISC collaborent à l'avenir dans le domaine de l'informatique quantique pour le développement de matériaux

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Prof. Miriam Unterlass (à gauche) et Prof. Sabrina Maniscalco (à droite) regroupent leurs forces de recherche pour rendre l'informatique quantique exploitable dans la recherche sur les matériaux. © K. Wolf / Algorithmiq

Médecine abordable, augmentation des coûts de l'énergie, dépendance aux sources stratégiques de matières premières : de nombreuses problématiques actuelles jouent un rôle central pour les nouveaux matériaux. Cependant, les méthodes classiques de développement de matériaux sont longues et nécessitent souvent plusieurs années. L'institut Fraunhofer pour la recherche sur la silice travaille donc sur des approches de développement accéléré (« Materials Acceleration ») basées sur des méthodes numériques, l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle (IA). Des potentiels d'accélération supplémentaires ainsi qu'une exploration plus approfondie de l'espace matériel sont attendus dans l'utilisation des ordinateurs quantiques. Avec l'entreprise italienne Algorithmiq, qui possède une expertise reconnue en informatique quantique, le Fraunhofer ISC a signé un protocole d'accord (MoU) pour une collaboration renforcée.

La métaphore du lotus illustre le chemin vers un avantage quantique exploitable. Les pétales intérieurs représentent trois conditions qui doivent être remplies simultanément : faisabilité sur le matériel actuel, pertinence pour l'exploration de l'espace matériel et validation par rapport aux méthodes classiques les plus avancées dans des conditions de ressources équitables. Les pétales extérieurs représentent l'utilisation, l'intégration et la mise à l'échelle. Ceux-ci sont indispensables pour transformer les avancées en pratique et peuvent être développés de manière systématique. Dans une véritable fleur de lotus, la structure centrale contient les graines à partir desquelles de nouvelles fleurs peuvent pousser. En ce sens, nous considérons ce noyau comme génératif, capable de soutenir diverses applications après son établissement, et nous sommes impatients d'intégrer cette idée dans la recherche sur les matériaux. © Algorithmiq

Le Fraunhofer ISC possède une vaste expérience dans la synthèse chimique de matériaux très variés. Cependant, les synthèses en laboratoire classiques sont longues : pour une nouvelle approche matérielle, de nombreuses séries d'expériences sont nécessaires avant d'atteindre les propriétés matérielles et de traitement souhaitées. Les méthodes numériques offrent ici la possibilité d'accélérer les processus de développement. Grâce à des simulations et des calculs des relations structure-propriété, il est possible de éliminer précocement les variantes peu adaptées et d'identifier de manière ciblée les candidats prometteurs. Cependant, les processus sous-jacents sont très complexes : la description complète de la dynamique des systèmes multi-corps en mécanique quantique nécessite souvent des temps de calcul extrêmement longs, même sur les ordinateurs haute performance d'aujourd'hui. L'informatique quantique pourrait, par exemple, accélérer considérablement la recherche de matériaux magnétiques à haute performance et peu gourmands en ressources (« aimants à terres rares faibles » ou « aimants à gap ») et explorer l'espace matériel à une profondeur inédite.

Informatique quantique – explorer plus rapidement et plus largement l'espace matériel

Algorithmiq est une entreprise d'informatique quantique basée à Milan, spécialisée dans le développement d'algorithmes natifs pour la recherche de médicaments et la simulation de molécules. L'objectif principal est de calculer les propriétés et la dynamique des molécules de manière beaucoup plus précise et efficace que ce qui est possible avec les simulations classiques (par exemple, la chimie quantique classique, la simulation moléculaire dynamique). Afin que les algorithmes quantiques spécifiquement conçus pour les questions en chimie et sciences de la vie fonctionnent déjà sur les ordinateurs quantiques actuels, encore sujets à des erreurs, l'équipe mise sur des méthodes hybrides, où un ordinateur classique et un ordinateur quantique collaborent : le quantum calcule les effets quantiques particulièrement difficiles dans les molécules, tandis que l'ordinateur classique gère l'optimisation et l'analyse. Les méthodes sont conçues pour exploiter les structures et lois typiques de la chimie afin de fournir des résultats aussi fiables que possible malgré les erreurs matérielles, et ce, dans un contexte de ressources limitées.

Les chercheurs souhaitent maintenant étendre leur concept d'informatique quantique, principalement utilisé dans le domaine des sciences de la vie, qui a été récompensé en avril par un prix de 2 millions de dollars de la Wellcome Leap Organization pour « la première démonstration d'un flux de travail entièrement quantique pour la simulation de thérapies complexes, ouvrant ainsi une voie crédible vers un avantage quantique à court terme dans le domaine des sciences de la vie », à la recherche de matériaux chimiques. À cette fin, l'entreprise a noué un partenariat stratégique avec le Fraunhofer ISC, qui apporte son expertise en synthèse et digitalisation des matériaux chimiques.

Résoudre des problèmes complexes de manière plus efficace

« Dans un premier temps, nos simulations permettent d'identifier plus facilement les zones blanches dans l'espace matériel – c'est-à-dire des matériaux que nous n'avons pas forcément recherchés, mais dont les propriétés peuvent être prometteuses », explique la prof. Dr. Miriam Unterlass, directrice de l'institut Fraunhofer ISC, qui précise les objectifs de la collaboration. Un autre objectif est de mieux comprendre l'espace matériel grâce à des simulations et de trouver de nouvelles solutions plus rapidement. « Même à l'avenir, nous aurons besoin de la créativité des chercheurs pour créer des innovations socialement pertinentes. Mais l'outillage devient de plus en plus numérique, et en plus de la synthèse réelle, le jumeau numérique prendra une importance croissante, permettant de prévoir la synthèse des matériaux, les propriétés des produits et leur récupération par recyclage tout au long du cycle de vie du produit, sans avoir à suivre chaque étape en laboratoire. »

L'intégration de l'informatique quantique dans la résolution de telles tâches complexes constitue donc une étape importante vers un développement accéléré des matériaux. La prof. Dr. Sabrina Maniscalco, CEO et cofondatrice d'Algorithmiq, ajoute : « Pendant longtemps, le discours mondial autour de l'informatique quantique s'est concentré presque exclusivement sur le matériel. Mais le matériel seul ne suffit pas. Sans progrès significatifs dans les algorithmes et les logiciels, les ordinateurs quantiques resteront impressionnants sur le plan scientifique sans apporter de réelle valeur industrielle. Chez Algorithmiq, nous construisons la couche algorithmique qui rend réellement utile l'informatique quantique – pour la chimie, les sciences de la vie, les nouveaux matériaux et au-delà. »

En juin 2026, les partenaires Algorithmiq et Fraunhofer ISC se réuniront au niveau de la direction pour discuter des premiers projets communs et de leur orientation.