L'algoritme de computació quàntica podria conduir al disseny de nous materials

Un equip d'investigadors de la Universitat de Columbia ha desenvolupat un nou algorisme que podria ajudar els ordinadors quàntics a calcular l'energia molecular i conduir al disseny de nous materials. L'algorisme utilitza la majoria de bits quàntics fins ara per calcular l'energia de l'estat fonamental, que és l'estat d'energia més baixa en un sistema de mecànica quàntica. 

El nou estudi es va publicar a Nature. 

Càlcul de l'energia de l'estat terrestre

L'algoritme va ser desenvolupat pel professor de química de Columbia David Reichman i el postdoc Joonho Lee, juntament amb investigadors de Google Quantum AI. Redueix els errors estadístics que es produeixen pels bits quàntics en les equacions de la química i utilitza fins a 16 qubits a l'ordinador Sycamore de 53 qubits de Google per calcular l'energia de l'estat fonamental, que és l'estat d'energia més baix d'una molècula. 

"Aquests són els càlculs de química quàntica més grans que s'han fet mai en un dispositiu quàntic real", va dir Reichman. 

En poder calcular amb precisió l'energia de l'estat fonamental, els químics podran desenvolupar nous materials. Per exemple, l'algoritme es podria utilitzar per dissenyar materials que acceleren la fixació de nitrogen per a l'agricultura. Aquest és només un dels molts usos possibles de la sostenibilitat, segons Lee, que és un investigador visitant a Google Quantum AI.

L'algorisme es basa en un Monte Carlo quàntic, que és un sistema de mètodes per calcular la probabilitat quan hi ha moltes variables aleatòries i desconegudes. Els investigadors van desplegar l'algorisme per determinar l'energia de l'estat fonamental de tres tipus de molècules. 

Hi ha moltes variables que poden influir en l'energia de l'estat fonamental, com ara el nombre d'electrons en una molècula, la direcció del seu gir i els camins que prenen quan orbitan un nucli. L'energia electrònica està codificada a l'equació de Schrodinger, que es fa extremadament difícil de resoldre en un ordinador clàssic a mesura que les molècules es fan més grans. Dit això, hi ha mètodes per fer-ho més fàcil, i els ordinadors quàntics podrien eventualment evitar aquest problema d'escala exponencial. 

Maneig de càlculs més grans i complexos

Segons el principi, els ordinadors quàntics haurien de poder gestionar càlculs més grans i complexos, ja que els qubits aprofiten els estats quàntics. Els qubits poden existir en dos estats simultàniament, cosa que no és cert per als dígits binaris. Al mateix temps, els qubits són fràgils i, a mesura que augmenta el nombre de qubits, la precisió de la resposta final disminueix. Lee va desenvolupar el nou algorisme per aprofitar la potència combinada dels ordinadors clàssics i quàntics per resoldre aquestes equacions complexes de manera més eficient i alhora minimitzar els errors. 

"És el millor dels dos mons", va dir Lee. "Vam aprofitar les eines que ja teníem, així com eines que es consideren d'última generació en ciència de la informació quàntica per perfeccionar la química computacional quàntica", va dir Lee. 

El registre anterior per resoldre l'energia de l'estat fonamental es basava en 12 qubits i un mètode conegut com a solucionador quàntic variacional (VQE). El problema amb VQE és que no va tenir en compte els efectes dels electrons en interacció, que és crucial per calcular l'energia de l'estat fonamental. Segons Lee, es podrien afegir tècniques de correlació virtual d'ordinadors clàssics per ajudar els químics a tractar amb molècules encara més grans. 

Els nous càlculs híbrids clàssic-quàntics van demostrar una precisió igual a alguns dels millors mètodes clàssics, cosa que suggereix que problemes complexos es podrien resoldre amb més precisió i rapidesa amb un ordinador quàntic. 

"La viabilitat de resoldre problemes químics més grans i desafiants només augmentarà amb el temps", va dir Lee. "Això ens dóna l'esperança que les tecnologies quàntiques que s'estan desenvolupant siguin pràcticament útils".