Les causes de ces percées ne sont pas nouvelles. Tout d'abord, la puissance des ordinateurs ne cesse d'augmenter depuis plus de 40 ans. Mais, cette accélération considérable n'aurait pas été aussi suffisante pour permettre les calculs actuels sans une amélioration au moins aussi importante du côté des algorithmes. Car les calculs sont complexes.

En effet, la mécanique quantique nous dit qu'on ne peut pas résoudre les propriétés d'un matériau un atome à la fois. Dans la mécanique newtonienne — ou classique, on pourrait calculer l'impact de chaque atome séparément. On n'aurait plus qu'à additionner toutes ces contributions et on connaîtrait les propriétés du matériau. Ce n'est plus aussi simple avec la mécanique quantique. Dans ce cas, formellement, à tout le moins, la position d'un électron affecte les interactions entre tous les autres. On doit donc absolument calculer la solution d'un seul coup, en incluant tous les électrons, protons et neutrons de tous les atomes du système.

Heureusement, il y a une quarantaine d'années, les physiciens Walter Kohn, Pierre Hohenberg et Li Sham montrèrent qu'il était possible de réduire la complexité de ces équations lorsqu'on s'intéressait seulement au matériau à l'équilibre (dans son état fondamental). Cette théorie, dite de la fonctionnelle de densité, valut le prix Nobel de 1998 (de chimie...) à Walter Kohn.

En dépit de cette théorie, il fallut près de 15 ans avant qu'on ne puisse utiliser celle-ci pour faire des calculs très simples et ce n'est qu'en 1989 que l'on put commencer à simuler l'effet de la température sur ces matériaux. (Il  faut quand même mentionner que les chimistes avaient commencé bien à calculer les propriétés de molécules simples dès les années 1960. Mais une molécule n'est pas un matériau...)

Depuis le début des années 1990, les calculs sont devenus assez fiables pour qu'on puisse commencer à prédire les propriétés de matériaux qui n'ont même jamais été réalisés en laboratoire. En dépit de ces avancées, les calculs les plus avancés sont encore limités à des systèmes simples. Ainsi, il n'est pas encore question, bien qu'on y arrive, de prédire les états excités des matériaux (associés avec certaines propriétés optiques et électroniques). Pas question, non plus, de simuler de gros systèmes, avec plus que quelques centaines d'atomes.

Malgré ces limitations, on s'en va dans la bonne direction. Les physiciens travaillent activement au développement de nouveaux algorithmes qui permettront, d'ici quelques années, de lever certaines des limitations actuelles. Ils travaillent également à optimiser les algorithmes afin de continuer à accélérer les calculs.

À tous ceux et celles qui rèvent de devenir physicien, n'hésitez pas! Malgré ces percées, il reste encore du travail pour tous les XXIe siècle!

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