[ Livre Blanc ] Les équations aux dérivées partielles et le quantique

Equations aux dérivées partielles et le quantique : pour le néophyte, le sujet peut sembler immense. Pour les experts, il l’est également !
Présentes dans de nombreux domaines de la physique : énergie, transports, santé, finance, logistique et plus largement dans l’industrie, les équations aux dérivées partielles, ou EDP, sont au cœur de nombreux modèles de calcul et de simulation. Elles permettent de décrire des phénomènes complexes : propagation de la chaleur, dynamique des fluides, comportement des matériaux, évolution de systèmes physiques ou encore modélisation de risques.

Néanmoins leur résolution peut rapidement s’avérer difficile. Lorsque les modèles gagnent en complexité, en précision ou en dimension, les méthodes numériques classiques peuvent atteindre des limites en temps de calcul, en mémoire et surtout pour le passage à l’échelle.
C’est dans ce contexte que de nouvelles approches sont étudiées : calcul haute performance (HPC), intelligence artificielle (IA), réseaux de tenseurs, méthodes hybrides et, dans certains cas, calcul quantique.
Le calcul quantique ne constitue pas aujourd’hui une réponse directe ou généralisée aux limites des EDP.
Il représente plutôt une piste à évaluer avec rigueur, en fonction des cas d’usage, des architectures disponibles, des algorithmes mobilisables et des conditions concrètes d’expérimentation.
Fort de ce constat, le Hub Quantique du CEA a souhaité apporter un éclairage précis sur le sujet et a constitué un regroupement dédié à la réalisation d’un livre blanc. L’objectif est de proposer une vision structurée et critique des méthodes classiques et émergentes appliquées aux EDP.

La rédaction de ce livre blanc a ainsi pour ambition  d’aider les acteurs industriels et technologiques à mieux comprendre les enjeux associés aux EDP.
Mieux comprendre en l’occurence :

• Les méthodes actuelles,
• les verrous qui demeurent,
• les nouvelles approches à suivre
• et les conditions nécessaires pour évaluer leur pertinence.

Le Hub Quantique du CEA* s’intéresse à plusieurs secteurs stratégiques tels que l’énergie, la défense, les transports, la santé ou encore la finance. Dans chacun de ces domaines, les industriels rencontrent des problématiques de simulation, de modélisation, d’optimisation ou de prédiction pour lesquelles les EDP jouent un rôle important.

Systematic, partenaire historique du CEA et acteur engagé dans l’écosystème Deep Tech, a contribué à ce livre blanc en apportant son expertise de structuration d’écosystème et sa connaissance des besoins industriels. Cette contribution a permis de croiser les regards autour des EDP, des méthodes numériques avancées, des perspectives ouvertes par le quantique et des méthodes hybrides.
Compte tenu de la diversité des approches, des niveaux de maturité et des cas d’usage concernés, la tâche fut complexe mais néanmoins nécessaire pour proposer un document utile, lisible et critique, capable d’accompagner les différents publics dans leur compréhension du sujet.

Concrètement, ce livre blanc est proposé sur plusieurs niveaux de lecture.

• Le premier niveau s’adresse aux lecteurs souhaitant comprendre les bases : ce que sont les EDP, pourquoi elles sont importantes et ce que les nouvelles approches peuvent potentiellement apporter.
• Le deuxième niveau s’adresse aux ingénieurs, chercheurs, responsables techniques et responsables innovation déjà familiarisés avec le sujet. Elle permet d’approfondir les méthodes classiques, les approches hybrides, les algorithmes quantiques et leurs limites actuelles.
• Enfin, le troisième, est orientée experts et industriels, permet d’entrer dans les cas d’usage, les contraintes métier et les conditions d’évaluation des différentes pistes technologiques.

Ce livre blanc ne prétend pas apporter une réponse définitive. Il propose un cadre de lecture pour mieux distinguer les promesses, les verrous et les conditions d’usage des nouvelles approches à l’instant présent.

Pour aller plus loin sur le sujet, vous pouvez contacter Daniel Vert, coordinateur du Hub Advanced Engineering & Computing ou Tiana Delhome CEA.

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*Le Hub Quantique propose :
une approche collaborative pour explorer les applications et anticiper les impacts du calcul quantique à court, moyen et long terme.
Le fort potentiel disruptif du calcul quantique amène à relever de nombreux défis. C’est la mission du Hub Quantique de donner aux entreprises les moyens de se préparer à cette potentielle révolution.