Kvantebergningsalgoritme kan føre til design af nye materialer

Et hold af forskere ved Columbia University har udviklet en ny algoritme, der kan hjælpe kvantecomputere med at beregne molekylær energi og føre til design af nye materialer. Algoritmen bruger det største antal kvantebits til dato til at beregne grundtilstandens energi, der er den laveste-energitilstand i et kvantemekanisk system. 

Den nye studie blev offentliggjort i Nature. 

Beregning af grundtilstandens energi

Algoritmen blev udviklet af Columbia-kemiprofessoren David Reichman og postdoc Joonho Lee, sammen med forskere fra Google Quantum AI. Den reducerer de statistiske fejl, der produceres af kvantebits i kemiske ligninger, og den bruger op til 16 qubits på Googles 53-qubit Sycamore-computer til at beregne grundtilstandens energi, der er den laveste energitilstand for en molekyle. 

“Dette er de største kvantekemiske beregninger, der nogensinde er gjort på en rigtig kvantecomputer,” sagde Reichman. 

Ved at kunne beregne grundtilstandens energi nøjagtigt, kan kemikere udvikle nye materialer. For eksempel kan algoritmen bruges til at designe materialer, der kan accelerere kvælstofbinding for landbrug. Dette er kun ét af de mange mulige bæredygtighedsformål, ifølge Lee, der er en gæsteforsker ved Google Quantum AI.

Algoritmen afhænger af en kvantemonte-carlo, der er et system af metoder til at beregne sandsynlighed, når der er mange tilfældige, ukendte variable. Forskerne anvendte algoritmen til at bestemme grundtilstandens energi for tre typer molekyler. 

Der er mange variable, der kan påvirke grundtilstandens energi, såsom antallet af elektroner i en molekyle, retningen af deres spin og de baner, de følger, når de kredser om en kerne. Den elektroniske energi er kodet i Schrödinger-ligningen, der bliver ekstremt svær at løse på en klassisk computer, når molekylerne bliver større. Med det sagt er der metoder til at gøre dette lettere, og kvantecomputere kan evt. omgå dette eksponentielle skala-problem. 

Håndtering af større og mere komplekse beregninger

Ifølge principperne burde det være muligt for kvantecomputere at håndtere større og mere komplekse beregninger, da qubits udnytter kvantetilstande. Qubits kan eksistere i to tilstande samtidigt, hvilket ikke er sandt for binære cifre. Samtidig er qubits ødelige, og når antallet af qubits øges, aftager nøjagtigheden i det endelige svar. Lee udviklede den nye algoritme til at udnytte den kombinerede kraft af både klassiske og kvantecomputere til at løse disse komplekse ligninger mere effektivt og samtidig minimere fejl. 

“Det er det bedste af begge verdener,” sagde Lee. “Vi udnyttede værktøjer, som vi allerede havde, samt værktøjer, der anses for at være stat-of-the-art inden for kvantinformationvidenskab til at forbedre kvantecomputational kemi,” sagde Lee. 

Den tidligere rekord for at løse grundtilstandens energi afhængig af 12 qubits og en metode kendt som variational kvanteigensolver (VQE). Problemet med VQE er, at det ikke tog hensyn til effekterne af interagerende elektroner, hvilket er afgørende for at beregne grundtilstandens energi. Ifølge Lee kan virtuelle korrelations-teknikker fra klassiske computere tilføjes for at hjælpe kemikere med at håndtere endnu større molekyler. 

De nye hybrid-klassisk-kvanteberegninger demonstrerede en nøjagtighed på linje med nogle af de bedste klassiske metoder, hvilket tyder på, at komplekse problemer kan løses mere nøjagtigt og hurtigt med en kvantecomputer. 

“Muligheden for at løse større og mere udfordrende kemiproblemer vil kun øge med tiden,” sagde Lee. “Dette giver os håb om, at kvanteteknologier, der udvikles, vil være praktisk nyttige.”