Αλγόριθμος Υπολογισμού Κβαντικού Υπολογιστή 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 να υπολογίσει την ενέργεια του基础状态, η οποία είναι η χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση σε ένα κβαντικό μηχανικό σύστημα.

Η νέα μελέτη δημοσιεύθηκε στο Nature.

Υπολογισμός Ενέργειας Βασικής Κατάστασης

Ο αλγόριθμος αναπτύχθηκε από τον καθηγητή χημείας του Κολούμπια Ντέιβιντ Ράιχμαν και τον μεταδιδάκτορα Τζουνχο Λι, μαζί με ερευνητές στο Google (GOOGL ) 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 του Google για να υπολογίσει την ενέργεια της βασικής κατάστασης, η οποία είναι η χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση ενός μορίου.

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

Με την khảότητα να υπολογίζουν ακριβώς την ενέργεια της βασικής κατάστασης, οι χημικοί θα μπορέσουν να αναπτύξουν νέα υλικά. Για παράδειγμα, ο αλγόριθμος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σχεδιάσει υλικά που να επιταχύνουν την αζωτοfixation για τη γεωργία. Αυτό είναι μόνο ένα από τα πολλά πιθανά βιώσιμα χρήματα, σύμφωνα με τον Λι, ο οποίος είναι επισκέπτης ερευνητής στο Google Quantum AI.

Ο αλγόριθμος βασίζεται σε ένα κβαντικό Монте Κάρλο, το οποίο είναι ένα σύστημα μεθόδων για τον υπολογισμό της πιθανότητας όταν υπάρχουν πολλά τυχαία, άγνωστα μεταβλητά. Οι ερευνητές αναπτύχθηκαν τον αλγόριθμο για να καθορίσουν την ενέργεια της βασικής κατάστασης τριών τύπων μορίων.

Υπάρχουν πολλά μεταβλητά που μπορούν να επηρεάσουν την ενέργεια της βασικής κατάστασης, όπως ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε ένα μόριο, η κατεύθυνση του σπίν τους και οι τροχιές που ακολουθούν όταν περιστρέφονται γύρω από ένα πυρήνα. Η ηλεκτρονική ενέργεια είναι κωδικοποιημένη στην εξίσωση Σρόντινγκερ, η οποία γίνεται εξαιρετικά δύσκολο να λυθεί σε ένα κλασικό υπολογιστή καθώς τα μόρια μεγαλώνουν. Με αυτό που έχει πει, υπάρχουν μεθόδους για να κάνουν αυτό το εύκολο, και οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν τελικά να παρακαμφθούν αυτό το εκθετικό πρόβλημα κλιμάκωσης.

Χειρισμός Μεγαλύτερων και Πιο Συμπλεγμάτων Υπολογισμών

Σύμφωνα με την αρχή, πρέπει να είναι δυνατό για τους κβαντικούς υπολογιστές να χειρίζονται μεγαλύτερους και πιο σύνθετους υπολογισμούς,既然 τα qubits επωφελούνται από τα κβαντικά 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 Λι ανέπτυξε τον νέο αλγόριθμο για να εκμεταλλευτεί την συνδυασμένη δύναμη των κλασικών και κβαντικών υπολογιστών για να λύσει αυτούς τους σύνθετους εξισώσεις πιο αποτελεσματικά ενώ επίσης ελαχιστοποιεί τα λάθη.

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

Το προηγούμενο ρεκόρ για τον υπολογισμό της ενέργειας της βασικής κατάστασης 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, η οποία είναι κρίσιμη για τον υπολογισμό της ενέργειας της βασικής κατάστασης. Σύμφωνα με τον Λι, 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 ανάλογη με κάποιες από τις καλύτερες κλασικές μεθόδους, υποδεικνύοντας ότι σύνθετα προβλήματα θα μπορούσαν να λυθούν πιο ακριβώς και γρήγορα με έναν κβαντικό υπολογιστή.

«Η εφικτότητα του να λύσουμε μεγαλύτερα και πιο απαιτητικά χημικά προβλήματα θα αυξηθεί μόνο με τον καιρό», είπε ο Λι. «Αυτό μας δίνει ελπίδα ότι οι κβαντικές τεχνολογίες που αναπτύσσονται θα είναι πρακτικά χρήσιμες».