量子コンピューティングアルゴリズムが新しい材料の設計につながる可能性がある

コロンビア大学の研究者チームは、量子コンピューターが分子エネルギーを計算し、新しい材料の設計につながる可能性のある新しいアルゴリズムを開発しました。アルゴリズムは、現在までで最も多くの量子ビットを使用して、量子力学的システムの最低エネルギー状態である基底状態エネルギーを計算します。

新しい研究は、ネイチャーに掲載されました。

基底状態エネルギーの計算

アルゴリズムは、コロンビア大学の化学教授デビッド・ライクマンとポスドク・ジュンホ・リーによって開発され、Google (GOOGL ) Quantum AIの研究者と共同で行われました。化学方程式で量子ビットによって生成される統計エラーを減らし、Googleの53量子ビットのSycamoreコンピューターで最大16量子ビットを使用して基底状態エネルギーを計算します。

「これは、実際の量子デバイスで行われた最大の量子化学計算です」とライクマンは述べました。

基底状態エネルギーを正確に計算できることで、化学者は新しい材料を開発できるようになります。たとえば、アルゴリズムは、農業用の窒素固定を加速する材料を設計するために使用できます。これは、リーによると、持続可能性のための多くの可能性の1つです。リーは、Google Quantum AIの訪問研究者です。

アルゴリズムは、多数のランダムな未知の変数がある場合の確率を計算するための方法のシステムである量子モンテカルロに依存しています。研究者は、3種類の分子の基底状態エネルギーを決定するためにアルゴリズムを展開しました。

基底状態エネルギーに影響を与える多数の変数があります。たとえば、分子内の電子の数、スピンの方向、原子核を周回する際の軌道などです。電子エネルギーは、シュレーディンガー方程式に符号化されていますが、分子が大きくなるにつれて、古典コンピューターで解くことが非常に困難になります。ただし、解決策があり、量子コンピューターは最終的にこの指数関数的スケーリング問題を回避できる可能性があります。

より大きな複雑な計算の処理

原理的には、量子コンピューターは量子状態を利用する量子ビットがあるため、より大きな複雑な計算を処理できるはずです。量子ビットは、古典的な二進数字とは異なり、同時に2つの状態を存在させることができます。ただし、量子ビットは壊れやすく、量子ビットの数が増加すると、最終的な答えの精度が低下します。リーは、複雑な方程式をより効率的に解き、ミスを最小限に抑えるために、古典コンピューターと量子コンピューターの両方の力を利用する新しいアルゴリズムを開発しました。

「これは、両者の長所を兼ね備えたものです」とリーは述べました。「私たちは、既存のツールと量子情報科学における最先端のツールを利用して、量子コンピュータ化学を改良しました」。

基底状態エネルギーを解く前の記録は、12量子ビットと変分量子固有値解法（VQE）という方法を使用していました。VQEの問題は、電子の相互作用の影響を考慮していないことです。これは、基底状態エネルギーを計算する上で非常に重要です。リーによると、古典コンピューターからの仮想相関技術を追加することで、化学者はさらに大きな分子に対処できるようになります。

新しいハイブリッド古典量子計算は、一部の最良の古典方法と同等の精度を示し、量子コンピューターを使用して複雑な問題をより正確に迅速に解くことができることを示しています。

「より大きな挑戦的な化学問題を解く可能性は、時間の経過とともに増加するだけです」とリーは述べました。「これは、開発中の量子テクノロジーが実用的に有用になることを私たちに希望を与えています」。