क्वांटम कंप्यूटिंग एल्गोरिथम नए सामग्रियों 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 में मदद कर सकता है और नए सामग्रियों 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।

यह नया 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 रसायन विज्ञान के समीकरणों में क्वांटम बिट्स द्वारा उत्पादित सांख्यिकीय त्रुटियों को कम करता है, और यह ग्राउंड स्टेट ऊर्जा की गणना के लिए गूगल के 53-क्यूबिट साइकेमोर कंप्यूटर पर 16 क्यूबिट्स तक का उपयोग करता है, जो एक अणु की सबसे कम ऊर्जा अवस्था है।

“यह क्वांटम रसायन विज्ञान की सबसे बड़ी गणनाएं हैं जो कभी भी एक वास्तविक क्वांटम डिवाइस पर की गई हैं,” रीचमैन ने कहा।

ग्राउंड स्टेट ऊर्जा की सटीक गणना करके, रसायनज्ञ नए सामग्रियों का विकास कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, इस एल्गोरिथम का उपयोग कृषि के लिए नाइट्रोजन निर्धारण को तेज करने वाले सामग्रियों के डिजाइन के लिए किया जा सकता है। यह ली के अनुसार कई संभावित स्थिरता उपयोगों में से एक है, जो गूगल क्वांटम एआई में एक आगंतुक शोधकर्ता हैं।

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

ग्राउंड स्टेट ऊर्जा को प्रभावित करने वाले कई चर हैं, जैसे कि एक अणु में इलेक्ट्रॉनों की संख्या, उनके स्पिन की दिशा, और वे एक नाभिक की परिक्रमा करते समय जो पथ लेते हैं। इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा को श्रोडिंगर समीकरण में एन्कोड किया जाता है, जो एक शास्त्रीय कंप्यूटर पर हल करने के लिए बहुत कठिन हो जाता है क्योंकि अणु बड़े हो जाते हैं। इसके साथ ही, इसे आसान बनाने के तरीके हैं, और क्वांटम कंप्यूटर अंततः इस घातांक स्केलिंग समस्या को बायपास कर सकते हैं।

बड़े और जटिल गणनाओं को संभालना

सिद्धांत के अनुसार, क्वांटम कंप्यूटरों को बड़े और जटिल गणनाओं को संभालने में सक्षम होना चाहिए क्योंकि क्यूबिट्स क्वांटम स्थितियों का लाभ उठाते हैं। क्यूबिट्स एक ही समय में दो स्थितियों में अस्तित्व में रह 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 साथ ही गलतियों को कम करने के लिए क्लासिकल और क्वांटम कंप्यूटरों की संयुक्त शक्ति का लाभ उठाने के लिए एक नया एल्गोरिथम विकसित किया है।

“यह दोनों दुनिया का सर्वश्रेष्ठ है,” ली ने कहा। “हमने जो उपकरण पहले से ही थे और जो क्वांटम सूचना विज्ञान में राज्य-ऑफ-द-आर्ट माने जाते हैं, उन्हें क्वांटम गणनात्मक रसायन विज्ञान को परिष्कृत करने के लिए उपयोग किया,” ली ने कहा।

ग्राउंड स्टेट ऊर्जा को हल करने के लिए पिछला रिकॉर्ड 12 क्यूबिट्स और वेरिएशनल क्वांटम ईजेनसोल्वर (वीक्यूई) नामक एक विधि पर निर्भर करता था। वीक्यूई की समस्या यह है कि यह परस्पर क्रिया करने वाले इलेक्ट्रॉनों के प्रभावों पर विचार नहीं करता है, जो ग्राउंड स्टेट ऊर्जा की गणना के लिए महत्वपूर्ण है। ली के अनुसार, शास्त्रीय कंप्यूटरों से वर्चुअल कोरिलेशन तकनीकों को जोड़ा जा सकता है ताकि रसायनज्ञ बड़े अणुओं से निपटने में मदद कर सकें।

हाइब्रिड क्लासिकल-क्वांटम गणना ने कुछ सर्वोत्तम शास्त्रीय तरीकों के साथ तुलनीय सटीकता का प्रदर्शन किया, जो सुझाव देता है कि जटिल समस्याओं को अधिक सटीकता और तेजी से एक क्वांटम कंप्यूटर के साथ हल किया जा सकता है।

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