خوارزمية الحوسبة الكمومية قد تؤدي إلى تصميم مواد جديدة

قام فريق من الباحثين في جامعة كولومبيا بتطوير خوارزمية جديدة قد تساعد الحواسيب الكمومية على حساب الطاقة الجزيئية وتصميم مواد جديدة. تستخدم الخوارزمية معظم البتات الكمومية حتى الآن لحساب الطاقة الأرضية ، والتي هي الحالة منخفضة الطاقة في نظام ميكانيكي كمومي.

نشرت الدراسة الجديدة في نيتشر.

حساب الطاقة الأرضية

تم تطوير الخوارزمية بواسطة ديفيد رايخمان أستاذ الكيمياء في جامعة كولومبيا وجون هو لي باحث ما بعد الدكتوراه ، إلى جانب باحثين في جوجل كيوبيت. إنها تقلل من الأخطاء الإحصائية التي تنتجها البتات الكمومية في معادلات الكيمياء ، وتستخدم ما يصل إلى 16 بت كمومي على جهاز جوجل سايكامور 53 بت كمومي لحساب الطاقة الأرضية ، والتي هي الحالة منخفضة الطاقة للجزيء.

“هذه هي أكبر حسابات الكيمياء الكمومية التي تم إجراؤها على جهاز كمومي حقيقي” ، قال رايخمان.

من خلال القدرة على حساب الطاقة الأرضية بدقة ، سيكون الكيميائيون قادرين على تصميم مواد جديدة. على سبيل المثال ، يمكن استخدام الخوارزمية لتصميم مواد تسرع إصلاح النيتروجين للزراعة. هذا هو فقط واحد من العديد من الاستخدامات الممكنة للاستدامة ، وفقًا للي ، الذي هو باحث زائر في جوجل كيوبيت.

تعتمد الخوارزمية على مونت كارلو الكمومي ، وهو نظام من الأساليب لحساب الاحتمال عند وجود العديد من المتغيرات العشوائية غير المعروفة. نشر الباحثون الخوارزمية لتحديد الطاقة الأرضية لثلاثة أنواع من الجزيئات.

هناك العديد من المتغيرات التي يمكن أن تؤثر على الطاقة الأرضية ، مثل عدد الإلكترونات في الجزيء ، اتجاه دورانها ، والمسارات التي تتخذها عند دورانها حول النواة. يتم ترميز الطاقة الإلكترونية في معادلة شرودنغر ، والتي تصبح صعبة للغاية لحلها على جهاز كمبيوتر كلاسيكي مع نمو الجزيئات. ومع ذلك ، هناك طرق لجعل هذا الأمر أسهل ، ويمكن للحواسيب الكمومية في النهاية تجاوز مشكلة التدرج الأسي.

معالجة حسابات أكبر وأكثر تعقيدًا

وفقًا للمبدأ ، يجب أن يكون من الممكن للحواسيب الكمومية معالجة حسابات أكبر وأكثر تعقيدًا لأن البتات الكمومية تستفيد من الحالات الكمومية. يمكن للبتات الكمومية أن توجد في حالتين في نفس الوقت ، وهو ما لا ينطبق على الأرقام الثنائية. في الوقت نفسه ، البتات الكمومية هشة ، و随ًا لزيادة عدد البتات الكمومية ، ينخفض الدقة في الإجابة النهائية. قام لي بتطوير الخوارزمية الجديدة للاستفادة من القوة المشتركة لكل من الحواسيب الكلاسيكية والكمومية لحل هذه المعادلات المعقدة بكفاءة أكبر مع تقليل الأخطاء.

“إنها أفضل العالمين” ، قال لي. “لقد استفدنا من الأدوات التي لدينا بالفعل بالإضافة إلى الأدوات التي تعتبر من أحدث ما توصل إليه علم المعلومات الكمومية لتحسين الكيمياء الحاسوبية الكمومية” ، قال لي.

سجل السابق لحساب الطاقة الأرضية يعتمد على 12 بت كمومي وطريقة تعرف باسم محلل القيمة الذرية الكمومي المتغير. المشكلة مع هذا المنهج هي أنه لم يكن يأخذ في الاعتبار تأثير الإلكترونات التفاعلية ، وهو ما هو ضروري لحساب الطاقة الأرضية. وفقًا للي ، يمكن إضافة تقنيات الارتباط الافتراضي من الحواسيب الكلاسيكية لمساعدة الكيميائيين على التعامل مع جزيئات أكبر.

أظهرت الحسابات الكلاسيكية الكمومية الهجينة دقة متساوية مع بعض أفضل الطرق الكلاسيكية ، مما يشير إلى أن المشكلات المعقدة يمكن حلها بدقة أكبر وأسرع باستخدام جهاز كمبيوتر كمومي.

“من المفترض أن تزيد إمكانية حل مشاكل كيميائية أكبر وأكثر تحديًا مع مرور الوقت” ، قال لي. “هذا يعطينا أملًا بأن التكنولوجيا الكمومية التي يتم تطويرها ستكون مفيدة عمليًا”.