Algoritmus kvantového počítače 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 využívá nejvíce kvantových bitů dosud k výpočtu grundového stavu energie, což je stav s nejnižší energií v kvantově mechanickém systému.

Nová studie byla zveřejněna v Nature.

Výpočet grundového stavu energie

Algoritmus byl vyvinut profesorem chemie Davidem Reichmanem a postdokem Joonho Leeem, spolu s výzkumníky z Google (GOOGL ) Quantum AI. Sníží statistické chyby, které jsou produkovány kvantovými bity v chemických rovnicích, a využívá až 16 qubitů na 53qubitovém počítači Sycamore k výpočtu grundového stavu energie, což je nejnižší energie stavu molekuly.

„Tyto jsou největší kvantové chemické výpočty, které byly dosud provedeny na skutečném kvantovém zařízení,” řekl Reichman.

Přesnou výpočet grundového stavu energie budou moci chemici vyvinout nové materiály. Například algoritmus by mohl být použit k návrhu materiálů, které urychlují fixaci dusíku pro zemědělství. To je jen jeden z mnoha možných udržitelných použití, podle Lee, který je hostujícím výzkumníkem v Google Quantum AI.

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

Existuje mnoho proměnných, které mohou ovlivnit grundový stav energie, jako je počet elektronů v molekule, směr jejich spinu a dráhy, které berou při oběhu kolem jádra. Elektronová energie je zakódována v Schrödingerově rovnici, která se stává velmi obtížně řešitelnou na klasickém počítači, když molekuly rostou. S tím said, existují metody, které to usnadňují, a kvantové počítače by nakonec mohly tento exponenciální problém škálovat.

Zpracování větších a složitějších výpočtů

Podle principu by mělo být možné pro kvantové počítače zpracovat větší a složitější výpočty, protože qubity využívají kvantových stavů. Qubity mohou existovat ve dvou stavech současně, což není pravda pro binární číslice. Současně jsou qubity křehké a když se zvyšuje počet qubitů, přesnost ve finální odpovědi klesá. Lee vyvinul nový algoritmus, aby využil kombinovanou sílu klasických a kvantových počítačů k řešení těchto složitých rovnic efektivněji a minimalizoval chyby.

„Je to nejlepší z obou světů,” řekl Lee. „Využili jsme nástroje, které jsme již měli, stejně jako nástroje, které jsou považovány za špičkové ve vědě o kvantové informaci, aby jsme rafinovali kvantovou počítačovou chemii,” řekl Lee.

Předchozí rekord pro výpočet grundového stavu energie spoléhal na 12 qubitů a metodu známou jako variabilní kvantový eigensolver (VQE). Problém s VQE je, že nezohledňoval účinky interagujících elektronů, což je zásadní pro výpočet grundového stavu energie. Podle Lee by techniky virtuální korelace z klasických počítačů mohly být přidány, aby pomohly chemikům řešit ještě větší molekuly.

Nové hybridní klasické-kvantové výpočty prokázaly přesnost srovnatelnou s některými z nejlepších klasických metod, naznačující, že složitější problémy by mohly být řešeny přesněji a rychleji s kvantovým počítačem.

„Možnost řešení větších a složitějších chemických problémů se bude pouze zvyšovat s časem,” řekl Lee. „To nám dává naději, že kvantové technologie, které se vyvíjejí, budou prakticky užitečné.”