양자 컴퓨팅 알고리즘이 새로운 재료 설계로 이어질 수 있다

컬럼비아 대학교의 연구팀은 양자 컴퓨터가 분자 에너지를 계산하고 새로운 재료 설계로 이어질 수 있는 새로운 알고리즘을 개발했다. 이 알고리즘은 지면 상태 에너지를 계산하기 위해 지금까지 사용된 가장 많은 양자 비트를 사용한다. 지면 상태 에너지는 양자 역학 시스템에서 가장 낮은 에너지 상태이다.

새로운 연구는 Nature에 발표되었다.

지면 상태 에너지 계산

이 알고리즘은 컬럼비아 대학교의 화학 교수인 David Reichman과 박사 과정 연구원인 Joonho Lee, 그리고 Google Quantum AI의 연구원들이 개발했다. 이것은 화학 방정식에서 양자 비트에 의해 생성되는 통계적 오류를 줄이고, Google의 53-qubit Sycamore 컴퓨터에서 16개의 큐비트를 사용하여 지면 상태 에너지를 계산한다.

“이것은 실제 양자 장치에서 수행된 가장 큰 양자 화학 계산이다”라고 Reichman은 말했다.

지면 상태 에너지를 정확하게 계산할 수 있게 되면 화학자들은 새로운 재료를 개발할 수 있을 것이다. 예를 들어, 이 알고리즘은 농업을 위한 질소 고정 속도를 높이는 재료를 설계하는 데 사용될 수 있다. 이것은 Lee에 따르면 여러 가능한 지속 가능성 사용 중 하나이다. Lee는 Google Quantum AI의 방문 연구원이다.

이 알고리즘은 양자 몬테 카를로에 의존한다. 이것은 많은 무작위로 알려지지 않은 변수가 있는 경우 확률을 계산하는 방법의 시스템이다. 연구원들은 지면 상태 에너지를 결정하기 위해 세 가지 유형의 분子的 알고리즘을 배치했다.

지면 상태 에너지에 영향을 줄 수 있는 많은 변수가 있다. 예를 들어, 분子の 전자 수, 그들의 스핀 방향, 핵을 공전할 때 따르는 경로 등이다. 전자 에너지는 Schrodinger 방정식에 의해 암호화되며, 이는 고전적인 컴퓨터에서 분자가 커질수록 매우 어려워진다. 그러나 이것을 더 쉽게 만드는 방법이 있으며, 양자 컴퓨터는 궁극적으로 이 지수적 확장 문제를 우회할 수 있을 것이다.

더 큰 및 더 복잡한 계산 처리

원칙적으로, 양자 컴퓨터는 양자 상태를 이용하여 더 큰 및 더 복잡한 계산을 처리할 수 있어야 한다. 큐비트는 동시에 두 상태로 존재할 수 있지만, 이진 숫자는 그렇지 않다.同時に, 큐비트는 취약하며, 큐비트의 수가 증가할수록 최종答案의 정확도가 감소한다. Lee는 이러한 복잡한 방정식을 더 효율적으로 해결하면서도 오류를 최소화하기 위해 양자 컴퓨터와 고전적인 컴퓨터의 결합된 힘을 이용하는 새로운 알고리즘을 개발했다.

“이것은 두 세계의 최선”이라고 Lee는 말했다. “우리는 이미 가지고 있던 도구와 양자 정보 과학에서 최첨단으로 간주되는 도구를 사용하여 양자 계산 화학을 정제했다”고 Lee는 말했다.

지면 상태 에너지를 해결하는 이전 기록은 12개의 큐비트와 변분 양자 아이겐솔버(VQE)라는 방법을 사용했다. VQE의 문제는 상호 작용하는 전자의 영향을 고려하지 않았다는 것이다. 이것은 지면 상태 에너지를 계산하는 데 중요하다. Lee에 따르면, 고전적인 컴퓨터의 가상 상관 기법을 추가하여 화학자들이 더 큰 분자와도 대처할 수 있을 것이다.

새로운 하이브리드 고전-양자 계산은 일부 최고의 고전적인 방법과 비교할 수 있는 정확도를 보여주었으며, 복잡한 문제가 양자 컴퓨터로 더 정확하게 더 빠르게 해결될 수 있음을 시사한다.

“더 큰 및 더 어려운 화학 문제를 해결하는 가능성은 시간이 지남에 따라 증가할 것이다”라고 Lee는 말했다. “이것은 개발 중인 양자 기술이 실제로 유용할 것이라는 희망을 준다”