Algoritmo di calcolo quantistico potrebbe portare alla progettazione di nuovi materiali

Un team di ricercatori della Columbia University ha sviluppato un nuovo algoritmo che potrebbe aiutare i computer quantistici a calcolare l’energia molecolare e portare alla progettazione di nuovi materiali. L’algoritmo utilizza il maggior numero di bit quantistici fino ad oggi per calcolare l’energia dello stato fondamentale, che è lo stato a più bassa energia in un sistema meccanico quantistico.

Lo studio è stato pubblicato su Nature.

Calcolo dell’energia dello stato fondamentale

L’algoritmo è stato sviluppato dal professore di chimica della Columbia David Reichman e dal postdoc Joonho Lee, insieme a ricercatori di Google (GOOGL ) Quantum AI. Riduce gli errori statistici prodotti dai bit quantistici nelle equazioni chimiche e utilizza fino a 16 qubit sul computer Sycamore da 53 qubit di Google per calcolare l’energia dello stato fondamentale, che è lo stato a più bassa energia di una molecola.

“Questi sono i più grandi calcoli di chimica quantistica mai eseguiti su un dispositivo quantistico reale”, ha detto Reichman.

Essere in grado di calcolare con precisione l’energia dello stato fondamentale consentirà ai chimici di sviluppare nuovi materiali. Ad esempio, l’algoritmo potrebbe essere utilizzato per progettare materiali che accelerano la fissazione dell’azoto per l’agricoltura. Questo è solo uno deglimany utilizzi possibili per la sostenibilità, secondo Lee, che è un ricercatore visitatore presso Google Quantum AI.

L’algoritmo si basa su un Monte Carlo quantistico, che è un sistema di metodi per calcolare la probabilità quando ci sono molte variabili casuali e sconosciute. I ricercatori hanno implementato l’algoritmo per determinare l’energia dello stato fondamentale di tre tipi di molecole.

Ci sono molte variabili che possono influenzare l’energia dello stato fondamentale, come il numero di elettroni in una molecola, la direzione della loro rotazione e i percorsi che seguono quando orbitano attorno a un nucleo. L’energia elettronica è codificata nell’equazione di Schrödinger (SDGR ), che diventa estremamente difficile da risolvere su un computer classico quando le molecole diventano più grandi. Tuttavia, ci sono metodi per semplificare questo problema e i computer quantistici potrebbero eventualmente superare questo problema di scala esponenziale.

Gestione di calcoli più grandi e complessi

In teoria, dovrebbe essere possibile per i computer quantistici gestire calcoli più grandi e complessi poiché i qubit sfruttano gli stati quantistici. I qubit possono esistere in due stati contemporaneamente, il che non è vero per i bit binari. Tuttavia, i qubit sono fragili e, man mano che il numero di qubit aumenta, l’accuratezza della risposta finale diminuisce. Lee ha sviluppato il nuovo algoritmo per sfruttare il potere combinato di computer classici e quantistici per risolvere queste equazioni complesse in modo più efficiente e minimizzare gli errori.

“È il meglio di entrambi i mondi”, ha detto Lee. “Abbiamo sfruttato strumenti che già avevamo, nonché strumenti considerati all’avanguardia nella scienza dell’informazione quantistica per raffinare la chimica computazionale quantistica”.

Il record precedente per la risoluzione dell’energia dello stato fondamentale si basava su 12 qubit e un metodo noto come variational quantum eigensolver (VQE). Il problema con VQE è che non teneva conto degli effetti degli elettroni interagenti, che è cruciale per calcolare l’energia dello stato fondamentale. Secondo Lee, le tecniche di correlazione virtuale dei computer classici potrebbero essere aggiunte per aiutare i chimici a gestire molecole ancora più grandi.

I nuovi calcoli ibridi classici-quantistici hanno dimostrato un’accuratezza paragonabile a quella di alcuni dei migliori metodi classici, suggerendo che problemi complessi potrebbero essere risolti in modo più preciso e veloce con un computer quantistico.

“La fattibilità di risolvere problemi chimici più grandi e più sfidanti aumenterà solo con il tempo”, ha detto Lee. “Ciò ci dà speranza che le tecnologie quantistiche in via di sviluppo saranno praticamente utili”.