Algoritma Komputasi Kuantum Dapat Membantu Desain Bahan Baru

Tim peneliti di Columbia University telah mengembangkan algoritma baru yang dapat membantu komputer kuantum menghitung energi molekul dan memungkinkan desain bahan baru. Algoritma ini menggunakan bit kuantum terbanyak hingga saat ini untuk menghitung energi keadaan dasar, yang merupakan keadaan energi terendah dalam sistem mekanika kuantum.

Studi baru ini diterbitkan di Nature.

Menghitung Energi Keadaan Dasar

Algoritma ini dikembangkan oleh profesor kimia Columbia David Reichman dan postdoc Joonho Lee, bersama dengan peneliti di Google (GOOGL ) Quantum AI. Algoritma ini mengurangi kesalahan statistik yang dihasilkan oleh bit kuantum dalam persamaan kimia, dan menggunakan hingga 16 qubit pada komputer Sycamore 53-qubit Google untuk menghitung energi keadaan dasar, yang merupakan keadaan energi terendah dari molekul.

“Ini adalah perhitungan kimia kuantum terbesar yang pernah dilakukan pada perangkat kuantum nyata,” kata Reichman.

Dengan kemampuan menghitung energi keadaan dasar secara akurat, kimiawan dapat mengembangkan bahan baru. Misalnya, algoritma ini dapat digunakan untuk merancang bahan yang mempercepat fiksasi nitrogen untuk pertanian. Ini hanya salah satu dari banyak kemungkinan penggunaan keberlanjutan, menurut Lee, yang merupakan peneliti tamu di Google Quantum AI.

Algoritma ini bergantung pada Monte Carlo kuantum, yang merupakan sistem metode untuk menghitung probabilitas ketika ada banyak variabel acak yang tidak diketahui. Peneliti menerapkan algoritma ini untuk menentukan energi keadaan dasar dari tiga jenis molekul.

Terdapat banyak variabel yang dapat mempengaruhi energi keadaan dasar, seperti jumlah elektron dalam molekul, arah spin mereka, dan jalur yang mereka ambil saat mengorbit inti. Energi elektronik dikodekan dalam persamaan Schrodinger, yang menjadi sangat sulit untuk dipecahkan pada komputer klasik saat molekul menjadi lebih besar. Namun, ada metode untuk membuat ini lebih mudah, dan komputer kuantum dapat akhirnya melewati masalah skala eksponensial ini.

Mengatasi Perhitungan yang Lebih Besar dan Kompleks

Menurut prinsip, seharusnya memungkinkan komputer kuantum untuk menangani perhitungan yang lebih besar dan kompleks karena qubit memanfaatkan keadaan kuantum. Qubit dapat ada dalam dua keadaan secara bersamaan, yang tidak benar untuk digit biner. Namun, qubit rapuh, dan ketika jumlah qubit meningkat, akurasi jawaban akhir menurun. Lee mengembangkan algoritma baru ini untuk memanfaatkan kekuatan gabungan komputer klasik dan kuantum untuk memecahkan persamaan kompleks ini lebih efisien sambil juga meminimalkan kesalahan.

“Ini adalah yang terbaik dari kedua dunia,” kata Lee. “Kami memanfaatkan alat yang sudah kami miliki serta alat yang dianggap mutakhir dalam ilmu informasi kuantum untuk memperbaiki kimia komputasi kuantum,” kata Lee.

Rekor sebelumnya untuk memecahkan energi keadaan dasar bergantung pada 12 qubit dan metode yang dikenal sebagai variational quantum eigensolver (VQE). Masalah dengan VQE adalah bahwa tidak memperhitungkan efek elektron yang berinteraksi, yang sangat penting untuk menghitung energi keadaan dasar. Menurut Lee, teknik korelasi virtual dari komputer klasik dapat ditambahkan untuk membantu kimiawan menangani molekul yang lebih besar.

Perhitungan hibrida klasik-kuantum baru ini menunjukkan akurasi yang setara dengan beberapa metode klasik terbaik, menunjukkan bahwa masalah kompleks dapat dipecahkan lebih akurat dan cepat dengan komputer kuantum.

“Kemampuan untuk memecahkan masalah kimia yang lebih besar dan lebih menantang hanya akan meningkat dengan waktu,” kata Lee. “Ini memberi kami harapan bahwa teknologi kuantum yang sedang dikembangkan akan sangat berguna.”