Kvantealgoritme til beregning af grundtilstandens energi kan føre til design af nye materialer

Et hold af forskere fra 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 kvantebit til dato til at beregne grundtilstandens energi, som er den lavest-energitilstand i et kvantemekanisk system.

Den nye studie er offentliggjort i Nature.

Beregning af grundtilstandens energi

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

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

Ved at kunne beregne grundtilstandens energi nøjagtigt, vil kemikere kunne 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 anvendelser i forhold til bæredygtighed, ifølge Lee, der er en gæsteforsker ved Google Quantum AI.

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

Der er mange variabler, der kan påvirke grundtilstandens energi, såsom antallet af elektroner i en molekyle, retningen af deres spin og banerne, de følger, når de kredser om en kerne. Den elektroniske energi er kodet i Schrödinger-ligningen, som bliver ekstremt svær at løse på en klassisk computer, når molekylerne bliver større. Med det samme er der metoder til at gøre dette lettere, og kvantecomputere kan til sidst 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 tilfældet for binære cifre. Samtidig er qubits ømfødt, og når antallet af qubits øges, aftrappes nøjagtigheden i det endelige svar. Lee har udviklet 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 har udnyttet værktøjer, som vi allerede havde, samt værktøjer, der anses for at være på forkant med kvanteinformationsteknologi til at forfine kvantecomputational kemi,” sagde Lee.

Den tidligere rekord for løsning af grundtilstandens energi afhængig af 12 qubits og en metode kendt som variational kvantum-eigensolver (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 niveau 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.”