Kvantový výpočetní algoritmus by mohl vést k návrhu nových materiálů

Tým výzkumníků z Kolumbijské univerzity vyvinul nový algoritmus, který by mohl pomoci kvantovým počítačům vypočítat molekulární energii a vést k návrhu nových materiálů. Algoritmus používá dosud nejvíce kvantových bitů k výpočtu energie základního stavu, což je stav s nejnižší energií v kvantově mechanickém systému. 

Nová studie byla zveřejněna v Příroda. 

Výpočet energie země

Algoritmus vyvinuli profesor chemie z Kolumbie David Reichman a postdoktor Joonho Lee spolu s výzkumníky z Google Quantum AI. Snižuje statistické chyby, které jsou produkovány kvantovými bity v chemických rovnicích, a využívá až 16 qubitů na 53qubitovém počítači Sycamore společnosti Google k výpočtu energie základního stavu, což je nejnižší energetický stav molekuly. 

"Jsou to největší kvantově-chemické výpočty, jaké kdy byly provedeny na skutečném kvantovém zařízení," řekl Reichman. 

Tím, že budou schopni přesně vypočítat energii základního stavu, budou chemici schopni vyvíjet nové materiály. Algoritmus by mohl být například použit k navrhování materiálů, které urychlují fixaci dusíku pro zemědělství. Podle Leeho, který je hostujícím výzkumníkem ve společnosti Google Quantum AI, je to jen jedno z mnoha možných využití udržitelnosti.

Algoritmus spoléhá na kvantové Monte Carlo, což je systém metod pro výpočet pravděpodobnosti, když existuje mnoho náhodných neznámých proměnných. Výzkumníci nasadili algoritmus k určení energie základního stavu tří typů molekul. 

Existuje mnoho proměnných, které mohou ovlivnit energii základního stavu, jako je počet elektronů v molekule, směr jejich rotace a dráhy, kterými se pohybují při oběhu kolem jádra. Elektronická energie je zakódována ve Schrödingerově rovnici, která se stává extrémně těžko řešitelnou na klasickém počítači, jak se molekuly zvětšují. Díky tomu existují metody, jak to usnadnit, a kvantové počítače by nakonec mohly tento problém exponenciálního škálování obejít. 

Zvládání větších a složitějších výpočtů

Podle principu by mělo být možné, aby kvantové počítače zvládly větší a složitější výpočty, protože qubity využívají kvantové stavy. Qubity mohou existovat ve dvou stavech současně, což neplatí pro binární číslice. Zároveň jsou qubity křehké a se zvyšujícím se počtem qubitů se přesnost v konečné odpovědi snižuje. Lee vyvinul nový algoritmus k využití kombinovaného výkonu klasických i kvantových počítačů k efektivnějšímu řešení těchto složitých rovnic a zároveň k minimalizaci chyb. 

"Je to to nejlepší z obou světů," řekl Lee. „Využili jsme nástroje, které jsme již měli, i nástroje, které jsou považovány za nejmodernější v kvantové informační vědě, abychom zdokonalili kvantovou výpočetní chemii,“ řekl Lee. 

Předchozí rekord pro řešení energie základního stavu se spoléhal na 12 qubitů a metodu známou jako variační kvantový vlastní řešič (VQE). Problém s VQE je v tom, že nebere v úvahu účinky interagujících elektronů, což je zásadní pro výpočet energie základního stavu. Podle Leeho by mohly být přidány techniky virtuální korelace z klasických počítačů, které by pomohly chemikům vypořádat se s ještě většími molekulami. 

Nové hybridní klasické kvantové výpočty prokázaly přesnost srovnatelnou s některými z nejlepších klasických metod, což naznačuje, že složité problémy by mohly být vyřešeny přesněji a rychleji pomocí kvantového počítače. 

"Proveditelnost řešení větších a náročnějších chemických problémů se časem jen zvýší," řekl Lee. "To nám dává naději, že vyvíjené kvantové technologie budou prakticky užitečné."