양자 컴퓨팅 알고리즘이 새로운 재료 설계로 이어질 수 있다

컬럼비아 대학교의 연구자들은 분자 에너지를 계산하고 새로운 재료를 설계하는 데 도움이 될 수 있는 새로운 알고리즘을 개발했습니다. 이 알고리즘은 가장 많은 양자 비트를 사용하여 지면 상태 에너지를 계산하며, 이는 양자 역학적 시스템에서 가장 낮은 에너지 상태입니다.

새로운 연구는 네이처에 발표되었습니다.

지면 상태 에너지 계산

이 알고리즘은 컬럼비아 대학교의 화학 교수인 데이비드 라이히만과 포스닥 준호 리, 구글 양자 AI의 연구자들이 개발했습니다. 이는 화학 방정식에서 양자 비트에 의해 생성되는 통계적 오류를 줄이고, 구글의 53 양자 비트 사이엄 컴퓨터에서 최대 16개의 큐비트를 사용하여 지면 상태 에너지를 계산합니다.

“이것은 실제 양자 장치에서 수행된 가장 큰 양자 화학 계산입니다.” 라이히만은 말했습니다.

지면 상태 에너지를 정확하게 계산할 수 있게 되면, 화학자들은 새로운 재료를 개발할 수 있습니다. 예를 들어, 이 알고리즘은 농업을 위한 질소 고정 속도를 높이는 재료를 설계하는 데 사용될 수 있습니다. 이는 Ли에 따르면 양자 기술이 실제로 유용한 방식으로 사용될 수 있다는 희망을 주는 많은 가능성 중 하나입니다.

이 알고리즘은 양자 몬테 카를로를 사용합니다. 이는 많은 무작위하고 알려지지 않은 변수가 있는 경우 확률을 계산하는 방법입니다. 연구자들은 알고리즘을 사용하여 세 가지 유형의 분子的 지면 상태 에너지를 결정했습니다.

지면 상태 에너지에 영향을 미치는 많은 변수가 있습니다. 예를 들어, 분子の 전자 수, 전자의 스핀 방향, 원자핵을 공전하는 경로 등입니다. 전자 에너지는 슈뢰딩거 방정식에 암호화되어 있으며, 이는 고전적인 컴퓨터에서 분자가 커질수록 매우 어려워집니다. 그러나 양자 컴퓨터는 궁극적으로 이 지수적 확장 문제를 피할 수 있습니다.

더 큰 및 더 복잡한 계산 처리

원칙적으로, 양자 컴퓨터는 양자 상태를 활용하여 더 큰 및 더 복잡한 계산을 처리할 수 있어야 합니다. 큐비트는 동시에 두 상태를 가질 수 있지만, 이는 이진 숫자에서 사실이 아닙니다.同時에, 큐비트는 취약하며, 큐비트의 수가 증가할수록 최종答案의 정확도가 떨어집니다. 리는 이러한 복잡한 방정식을 더 효율적으로 해결하고 오류를 최소화하면서 고전적 및 양자 컴퓨터의 결합된 힘을 활용하는 새로운 알고리즘을 개발했습니다.

“이것은 양자 컴퓨팅 화학의 최선의 세계입니다.” 리는 말했습니다. “우리는 이미 가지고 있는 도구와 양자 정보 과학에서 최신 기술로 간주되는 도구를 사용하여 양자 컴퓨팅 화학을 정제했습니다.”

지면 상태 에너지를 해결하는 이전 기록은 12개의 큐비트와 변분 양자 아이겐솔버(VQE)라는 방법을 사용했습니다. 그러나 VQE는 상호 작용하는 전자의 영향을 고려하지 않았습니다. 이는 지면 상태 에너지를 계산하는 데 중요합니다. 리에 따르면, 클래식 컴퓨터의 가상 상관 기술을 추가하여 화학자들이 더 큰 분자와 작동하는 데 도움이 될 수 있습니다.

새로운 하이브리드 클래식-양자 계산은 일부 최고의 클래식 방법과 비교할 수 있는 정확도를 보여주었습니다. 이는 복잡한 문제가 양자 컴퓨터를 사용하여 더 정확하게 및 빠르게 해결될 수 있음을 시사합니다.

“더 큰 및 더 어려운 화학 문제를 해결하는 가능성은 시간이 지남에 따라 증가할 것입니다.” 리는 말했습니다. “이는 개발 중인 양자 기술이 실제로 유용한 방식으로 사용될 수 있다는 희망을 줍니다.”