Thèse Vers des Calculs d'États Excités d'Une Précision Chimique pour de Grands Systèmes Moléculaires H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Laboratoire de recherche : LCPQ - Laboratoire de Chimie et Physique Quantiques Direction de la thèse : Pierre-François LOOS ORCID 0000000305987425 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-30T23:59:59 Le projet de thèse s'inscrit dans le cadre du projet ANR CARES (« Chemically-AccuRate Excited States »), consacré au développement de nouvelles méthodes de chimie quantique pour la description précise des états électroniques excités des molécules. Ces états jouent un rôle central dans de nombreux domaines, tels que la conversion de l'énergie solaire, les diodes électroluminescentes organiques, la photocatalyse ou encore la photochimie.

L'objectif principal de cette thèse est de développer de nouveaux algorithmes de type Selected Configuration Interaction (SCI) capables de fournir des énergies d'états excités d'une précision chimique pour des systèmes moléculaires de taille croissante. Les méthodes SCI constituent aujourd'hui l'une des approches les plus prometteuses pour approcher la solution exacte de l'équation de Schrödinger électronique. Toutefois, leur application reste fortement limitée par le coût numérique et les besoins mémoire associés au traitement d'espaces électroniques extrêmement grands.

Le travail de thèse portera plus particulièrement sur l'amélioration et l'optimisation de l'algorithme CIPSI implémenté dans le logiciel open-source Quantum Package, développé au Laboratoire de Chimie et Physique Quantiques (LCPQ) à Toulouse. Plusieurs axes de recherche complémentaires seront explorés.

Un premier volet concernera le développement d'algorithmes distribués capables d'exploiter efficacement les architectures de calcul haute performance modernes. L'objectif sera notamment de répartir les vecteurs nécessaires à la diagonalisation de Davidson sur plusieurs noeuds de calcul afin d'augmenter fortement la taille des systèmes accessibles.

Un second axe visera à réduire l'empreinte mémoire des calculs grâce à l'utilisation de représentations numériques compactes et de techniques de compression de données sans perte. Ces approches permettront de limiter les coûts de stockage tout en conservant la précision nécessaire à des calculs de référence.

Le projet abordera également l'implémentation de techniques de décomposition de Cholesky pour le traitement efficace des intégrales biélectroniques, ainsi que l'utilisation hybride des processeurs CPU et GPU afin d'accélérer les opérations numériques les plus coûteuses.

Cette thèse se situe à l'interface entre chimie théorique, calcul scientifique et calcul haute performance. Elle contribuera au développement de nouvelles générations d'outils de chimie quantique capables de traiter avec une très grande précision des systèmes moléculaires jusqu'ici hors de portée. Les développements réalisés seront diffusés sous forme open-source au sein du logiciel Quantum Package et bénéficieront à une large communauté internationale en chimie théorique et en physique moléculaire. La description théorique précise des états électroniques excités constitue aujourd'hui l'un des grands défis de la chimie quantique moderne. Ces états interviennent dans de nombreux phénomènes physiques et chimiques d'importance, tels que l'absorption et l'émission de lumière, les réactions photochimiques, la conversion de l'énergie solaire ou encore l'électronique moléculaire. Bien qu'il existe des méthodes de structure électronique extrêmement précises, leur coût numérique devient rapidement prohibitif pour des systèmes moléculaires de taille moyenne ou grande. Les méthodes de type Selected Configuration Interaction (SCI) apparaissent comme des approches particulièrement prometteuses pour approcher la solution exacte de l'équation de Schrödinger électronique avec une précision contrôlable. Toutefois, leur utilisation reste limitée par d'importants verrous numériques liés notamment aux besoins mémoire et à l'exploitation efficace des architectures de calcul haute performance. Ce projet de thèse vise à développer de nouveaux algorithmes SCI et des stratégies numériques innovantes afin de lever ces limitations et de permettre des calculs d'états excités chimiquement précis pour des systèmes moléculaires significativement plus grands.