L'article consacré à cette recherche a été publié dans le magazine Nature Communications.
La photosynthèse désigne généralement l'ensemble des processus d'absorption, de transformation et d'utilisation de l'énergie lumineuse dans différentes réactions, notamment la transformation du CO2 en substances organiques avec une émission d'oxygène. Compte tenu de la diminution de la flore terrestre, la reproduction de la photosynthèse dans des conditions artificielles est une tâche très opportune aujourd'hui. Mais pour reproduire un processus donné, il faut d'abord le comprendre.
Cependant, cette tâche est plus difficile qu'il n'y paraît et la puissance des ordinateurs du monde entier ne suffit pas pour répondre à certaines questions. Les chercheurs ont donc recouru à la simulation à l'aide d'ordinateurs quantiques.
"Au moment de son absorption par une substance, la lumière interagit avec les variations des liens interatomiques dans les molécules, notamment celles qui sont responsables de la photosynthèse. Les propriétés de ces variations permettent aux molécules de "stocker" une grande quantité de quantums de lumière, c'est-à-dire d'énergie. On sait également que pendant le processus de photosynthèse un quantum de lumière (la plus faible valeur dans la mesure de l'énergie des ondes électromagnétiques) est absorbé, un photon, et lors d'une interaction avec une substance son énergie est presque entièrement absorbée. Le coefficient d'efficacité de ce processus est supérieur à 50%. C'est un procédé hautement efficace de transformation de l'énergie lumineuse en énergie "stockée" dans la matière", explique Alexeï Oustinov, responsable du laboratoire des métamatériaux supraconducteurs du MISiS et chef du groupe du Centre quantique russe.
En l'occurrence ce sont des atomes artificiels, les qubits, qui ont été choisis en tant que "cellules de mémoire" de l'ordinateur quantique. Ils se comportent comme des particules naturelles et possèdent la même structure au niveau quantique. Mais cette dernière (et donc leurs propriétés physiques) peut être changée instantanément — en particulier la distance entre les niveaux énergétiques, c'est-à-dire le volume d'énergie nécessaire pour le passage d'un atome artificiel d'un niveau à un autre. La condition indispensable pour les mesures quantiques est une température basse: elle était donc maintenue à hauteur de 20 millikelvins, pratiquement le zéro absolu! Ce froid extrême est nécessaire pour que les oscillations thermiques n'empêchent pas l'observation des processus mécaniques quantiques.
Le terme "supraconducteur" signifie que la matière du qubit possède une résistance électrique strictement nulle quand elle atteint une température inférieure à une certaine valeur. C'est également nécessaire pour neutraliser les déplacements excessifs d'électrons. La modification de la fréquence de la lumière a été utilisée pour la lecture de l'état des qubits (ce qui est précisément la base de la méthode de calcul dans les ordinateurs quantiques).
Un système disposant d'un seul photon et d'un seul système à deux niveaux, c'est-à-dire un atome artificiel, peut être calculé sur un ordinateur classique. Mais en réalité les photons sont nombreux, ils peuvent interagir avec plusieurs systèmes artificiels, et seul un ordinateur quantique permet d'effectuer des calculs dans un système aussi complexe que celui de la photosynthèse naturelle.
