Αλγόριθμος Υπολογισμού Κβαντικών Υπολογιστών Μπορεί να Οδηγήσει στον Σχεδιασμό Νέων Υλικών

Μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια έχουν αναπτύξει einen νέο αλγόριθμο που μπορεί να βοηθήσει τους κβαντικούς υπολογιστές να υπολογίσουν την ενέργεια των μορίων και να οδηγήσουν στον σχεδιασμό νέων υλικών. Ο αλγόριθμος χρησιμοποιεί τα περισσότερα κβαντικά bits μέχρι σήμερα για τον υπολογισμό της ενέργειας του基础 estados, η οποία είναι η χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση σε ένα κβαντικό μηχανικό σύστημα. 

Η νέα μελέτη δημοσιεύθηκε στο Nature. 

Υπολογισμός Ενέργειας του Βασικού Καταστάσεων

Ο αλγόριθμος αναπτύχθηκε από τον καθηγητή χημείας του Κολούμπια David Reichman και τον μεταδιδάκτορα Joonho Lee, μαζί με ερευνητές στο Google Quantum AI. Μειώνει τα στατιστικά λάθη που παράγονται από τα κβαντικά bits στις χημικές εξισώσεις και χρησιμοποιεί μέχρι 16 qubits στον 53-qubit υπολογιστή Sycamore της Google για τον υπολογισμό της ενέργειας του βασικού καταστάσεων, η οποία είναι η χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση του μορίου. 

«Αυτές είναι οι μεγαλύτερες κβαντικές χημικές υπολογισμοί που έχουν γίνει ποτέ σε πραγματικό κβαντικό συσκευή», είπε ο Reichman. 

Με την khảότητα να υπολογίσετε ακριβώς την ενέργεια του βασικού καταστάσεων, οι χημικοί θα μπορούν να αναπτύξουν νέα υλικά. Για παράδειγμα, ο αλγόριθμος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον σχεδιασμό υλικών που επιταχύνουν την άζωτο για τη γεωργία. Αυτό είναι μόνο ένα από τα πολλά πιθανά βιώσιμα χρήματα, σύμφωνα με τον Lee, ο οποίος είναι επισκέπτης ερευνητής στο Google Quantum AI.

Ο αλγόριθμος βασίζεται σε ένα κβαντικό Monte Carlo, το οποίο είναι ένα σύστημα μεθόδων για τον υπολογισμό της πιθανότητας όταν υπάρχουν πολλά τυχαία, άγνωστα μεταβλητά. Οι ερευνητές αναπτύχθηκαν τον αλγόριθμο για τον καθορισμό της ενέργειας του βασικού καταστάσεων τριών τύπων μορίων. 

Υπάρχουν πολλά μεταβλητά που μπορούν να επηρεάσουν την ενέργεια του βασικού καταστάσεων, όπως ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε ένα μόριο, η κατεύθυνση του σπιν τους και οι τροχιές που ακολουθούν όταν περιστρέφονται γύρω από ένα πυρήνα. Η ηλεκτρονική ενέργεια κωδικοποιείται στην εξίσωση Schrodinger, η οποία γίνεται εξαιρετικά δύσκολο να λυθεί σε ένα κλασικό υπολογιστή καθώς τα μόρια μεγαλώνουν. Με αυτό που έχει ειπωθεί, υπάρχουν μεθόδους για να το κάνουν πιο εύκολο, και οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν τελικά να παρακάμψουν αυτό το εκθετικό πρόβλημα κλιμάκωσης. 

Χειρισμός Μεγαλύτερων και Περιπλεχμένων Υπολογισμών

Σύμφωνα με την αρχή, θα πρέπει να είναι δυνατό για τους κβαντικούς υπολογιστές να χειρίζονται μεγαλύτερους και πιο περίπλοκους υπολογισμούς,既然 τα qubits επωφελούνται από τις κβαντικές καταστάσεις. Τα qubits μπορούν να υπάρχουν σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα, το οποίο δεν είναι αλήθεια για τα δυαδικά ψηφία. Ταυτόχρονα, τα qubits είναι εύθραυστα, και καθώς ο αριθμός των qubits αυξάνεται, η ακρίβεια στην τελική απάντηση μειώνεται. Ο Lee ανέπτυξε τον νέο αλγόριθμο για να εκμεταλλευτεί την συνδυασμένη δύναμη των κλασικών και κβαντικών υπολογιστών για να λύσει αυτές τις περίπλοκες εξισώσεις πιο αποτελεσματικά ενώ επίσης μειώνει τα λάθη. 

«Είναι το καλύτερο από τα δύο κόσμους», είπε ο Lee. «Εκμεταλλευτήκαμε εργαλεία που ήδη είχαμε, καθώς και εργαλεία που θεωρούνται state-of-the-art στην κβαντική επιστήμη της πληροφορίας για να βελτιώσουμε την κβαντική υπολογιστική χημεία», είπε ο Lee. 

Το προηγούμενο ρεκόρ για τον υπολογισμό της ενέργειας του βασικού καταστάσεων βασίζονταν σε 12 qubits και μια μέθοδο γνωστή ως variational quantum eigensolver (VQE). Το πρόβλημα με το VQE είναι ότι δεν έλαβε υπόψη τις επιδράσεις των αλληλεπιδρώντων ηλεκτρονίων, το οποίο είναι κρίσιμο για τον υπολογισμό της ενέργειας του βασικού καταστάσεων. Σύμφωνα με τον Lee, τεχνικές εικονικής συσχετίσεων από κλασικούς υπολογιστές θα μπορούσαν να προστεθούν για να βοηθήσουν τους χημικούς να αντιμετωπίσουν ακόμη μεγαλύτερα μόρια. 

Οι νέες υβριδικές κλασικές-κβαντικές υπολογισμοί απέδειξαν μια ακρίβεια που είναι ανάλογη με κάποιες από τις καλύτερες κλασικές μεθόδους, υποδεικνύοντας ότι περίπλοκα προβλήματα θα μπορούσαν να λυθούν πιο ακριβώς και γρήγορα με einen κβαντικό υπολογιστή. 

«Η εφικτότητα λύσης μεγαλύτερων και πιο απαιτητικών χημικών προβλημάτων θα αυξηθεί μόνο με τον καιρό», είπε ο Lee. «Αυτό μας δίνει ελπίδα ότι οι κβαντικές τεχνολογίες που αναπτύσσονται θα είναι πρακτικά χρήσιμες».