क्वांटम कंप्यूटिंग एल्गोरिथम नए सामग्री के डिजाइन में मदद कर सकता है

कोलम्बिया विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया एल्गोरिथम विकसित किया है जो क्वांटम कंप्यूटरों को आणविक ऊर्जा की गणना करने और नए सामग्री के डिजाइन में मदद कर सकता है। यह एल्गोरिथम सबसे अधिक क्वांटम बिट्स का उपयोग करके ग्राउंड स्टेट ऊर्जा की गणना करता है, जो एक क्वांटम यांत्रिक प्रणाली में सबसे कम ऊर्जा अवस्था है।

नई अध्ययन नेचर में प्रकाशित किया गया है।

ग्राउंड स्टेट ऊर्जा की गणना

इस एल्गोरिथम को कोलम्बिया के रसायन विज्ञान प्रोफेसर डेविड रीचमैन और पोस्टडॉक जूनहो ली ने गूगल क्वांटम एआई के शोधकर्ताओं के साथ मिलकर विकसित किया है। यह एल्गोरिथम रासायनिक समीकरणों में क्वांटम बिट्स द्वारा उत्पन्न सांख्यिकीय त्रुटियों को कम करता है और ग्राउंड स्टेट ऊर्जा की गणना के लिए गूगल के 53-क्यूबिट साइकेमोर कंप्यूटर पर 16 क्यूबिट्स तक का उपयोग करता है।

“यह वास्तविक क्वांटम डिवाइस पर किए गए सबसे बड़े क्वांटम रसायन विज्ञान गणनाएं हैं,” रीचमैन ने कहा।

ग्राउंड स्टेट ऊर्जा की सटीक गणना करने में सक्षम होने से, रसायनज्ञ नए सामग्री विकसित कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, इस एल्गोरिथम का उपयोग खेती के लिए नाइट्रोजन फिक्सेशन को तेज करने वाली सामग्री के डिजाइन के लिए किया जा सकता है। यह केवल एक संभावित उपयोग है, ली के अनुसार, जो गूगल क्वांटम एआई में एक आगंतुक शोधकर्ता हैं।

इस एल्गोरिथम में एक क्वांटम मोंटे कार्लो का उपयोग किया जाता है, जो कई यादृच्छिक, अज्ञात चर होने पर संभावना की गणना के लिए एक तरीकों की प्रणाली है। शोधकर्ताओं ने तीन प्रकार के अणुओं की ग्राउंड स्टेट ऊर्जा का निर्धारण करने के लिए एल्गोरिथम को तैनात किया।

ग्राउंड स्टेट ऊर्जा पर कई चर प्रभाव डाल सकते हैं, जैसे कि एक अणु में इलेक्ट्रॉनों की संख्या, उनके स्पिन की दिशा, और वे एक नाभिक की परिक्रमा करते समय जो पथ अपनाते हैं। इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा श्रोडिंगर समीकरण में एन्कोडेड होती है, जो एक शास्त्रीय कंप्यूटर पर हल करना बहुत मुश्किल हो जाता है क्योंकि अणु बड़े होते हैं। हालांकि, इसे आसान बनाने के तरीके हैं, और क्वांटम कंप्यूटर अंततः इस घातांक वृद्धि समस्या को बायपास कर सकते हैं।

बड़े और जटिल गणनाओं को संभालना

सिद्धांत के अनुसार, क्वांटम कंप्यूटरों को बड़े और जटिल गणनाएं संभालनी चाहिए क्योंकि क्यूबिट्स क्वांटम स्थितियों का लाभ उठाते हैं। क्यूबिट्स एक ही समय में दो स्थितियों में मौजूद हो सकते हैं, जो बाइनरी अंकों के लिए सच नहीं है। 同 समय, क्यूबिट्स नाजुक होते हैं, और क्यूबिट्स की संख्या बढ़ने के साथ, अंतिम उत्तर में सटीकता कम हो जाती है। ली ने जटिल समीकरणों को अधिक कुशलता से हल करने और त्रुटियों को कम करने के लिए शास्त्रीय और क्वांटम कंप्यूटरों की संयुक्त शक्ति का लाभ उठाने के लिए नया एल्गोरिथम विकसित किया।

“यह दोनों दुनियाओं का सर्वश्रेष्ठ है,” ली ने कहा। “हमने जो उपकरण पहले से ही थे, उनका लाभ उठाया और क्वांटम सूचना विज्ञान में राज्य-कला उपकरणों का उपयोग क्वांटम गणनात्मक रसायन शास्त्र को परिष्कृत करने के लिए किया।”

ग्राउंड स्टेट ऊर्जा की गणना के लिए पिछला रिकॉर्ड 12 क्यूबिट्स और वैरिएशनल क्वांटम ईजेनसोल्वर (वीक्यूई) नामक एक विधि पर निर्भर था। वीक्यूई की समस्या यह थी कि यह परस्पर क्रिया करने वाले इलेक्ट्रॉनों के प्रभावों पर विचार नहीं करता था, जो ग्राउंड स्टेट ऊर्जा की गणना के लिए महत्वपूर्ण है। ली के अनुसार, शास्त्रीय कंप्यूटरों से वर्चुअल कोरिलेशन तकनीक जोड़कर रसायनज्ञ बड़े अणुओं से निपटने में मदद कर सकते हैं।

नए हाइब्रिड शास्त्रीय-क्वांटम गणनाओं ने कुछ सर्वोत्तम शास्त्रीय विधियों के समान सटीकता प्रदर्शित की, जो यह सुझाव देती है कि जटिल समस्याओं को क्वांटम कंप्यूटर के साथ अधिक सटीकता और गति से हल किया जा सकता है।

“बड़े और अधिक चुनौतीपूर्ण रासायनिक समस्याओं को हल करने की व्यवहार्यता केवल समय के साथ बढ़ेगी,” ली ने कहा। “यह हमें आशा देता है कि विकसित की जा रही क्वांटम प्रौद्योगिकियां व्यावहारिक रूप से उपयोगी होंगी।”