Квантын тооцооллын алгоритм нь шинэ материалын загвар гаргахад хүргэж болзошгүй юм

Колумбын их сургуулийн судлаачдын баг квант компьютерт молекулын энергийг тооцоолох, шинэ материалын загвар гаргахад туслах шинэ алгоритм боловсруулжээ. Алгоритм нь квант механик системийн хамгийн бага энергитэй төлөв болох үндсэн төлөвийн энергийг тооцоолоход өнөөг хүртэл хамгийн олон квант битийг ашигладаг. 

Шинэ судалгаа нийтлэгдсэн байна Байгаль. 

Газрын төлөвийн эрчим хүчийг тооцоолох

Алгоритмыг Колумбийн химийн профессор Дэвид Рейхман, докторын дараах доктор Жунхо Ли нар Google Quantum AI-ийн судлаачдын хамт боловсруулсан. Энэ нь химийн тэгшитгэл дэх квант битээр үүсгэгддэг статистикийн алдааг багасгаж, молекулын хамгийн бага энергийн төлөв болох газрын төлөвийн энергийг тооцоолохын тулд Google-ийн 16 квбит Sycamore компьютер дээр 53 хүртэл кубит ашигладаг. 

"Эдгээр нь бодит квант төхөөрөмж дээр хийгдсэн хамгийн том квант химийн тооцоолол юм" гэж Рейхман хэлэв. 

Газрын төлөвийн энергийг нарийн тооцоолж чадсанаар химичүүд шинэ материал боловсруулах боломжтой болно. Жишээлбэл, энэ алгоритмыг газар тариалангийн азотын хуримтлалыг хурдасгах материалыг зохион бүтээхэд ашиглаж болно. Google Quantum AI-ийн зочин судлаач Лигийн хэлснээр энэ бол тогтвортой байдлын олон боломжит хэрэглээний нэг нь юм.

Алгоритм нь олон санамсаргүй, үл мэдэгдэх хувьсагчтай үед магадлалыг тооцоолох аргын систем болох квант Монте Карло дээр тулгуурладаг. Судлаачид гурван төрлийн молекулын үндсэн төлөвийн энергийг тодорхойлох алгоритмыг ашигласан. 

Молекул дахь электронуудын тоо, тэдгээрийн эргэлтийн чиглэл, цөмийг тойрон эргэдэг зам зэрэг үндсэн төлөвийн энергид нөлөөлж болох олон хувьсагч байдаг. Цахим энерги нь Шредингерийн тэгшитгэлд кодлогдсон байдаг бөгөөд молекулууд томрох тусам сонгодог компьютер дээр шийдвэрлэхэд маш хэцүү болдог. Үүний зэрэгцээ үүнийг хөнгөвчлөх аргууд байдаг бөгөөд квант компьютерууд энэ экспоненциал масштабын асуудлыг даван туулж чадна. 

Илүү том, илүү төвөгтэй тооцоолол хийх

Зарчмын дагуу квантууд квант төлөв байдлын давуу талыг ашигладаг тул квант компьютерууд илүү том, илүү төвөгтэй тооцоолол хийх боломжтой байх ёстой. Кубит нь хоёр төлөвт нэгэн зэрэг орших боломжтой бөгөөд энэ нь хоёртын тоонуудын хувьд үнэн биш юм. Үүний зэрэгцээ, кубитууд эмзэг байдаг ба кубитуудын тоо нэмэгдэх тусам эцсийн хариултын нарийвчлал буурдаг. Ли сонгодог болон квант компьютерын хосолсон хүчийг ашиглан эдгээр нарийн төвөгтэй тэгшитгэлийг илүү үр дүнтэй шийдвэрлэхийн зэрэгцээ алдааг багасгах зорилгоор шинэ алгоритмыг боловсруулсан. 

"Энэ бол хоёр ертөнцийн хамгийн шилдэг нь" гэж Ли хэлэв. "Бид квант тооцооллын химиг боловсронгуй болгохын тулд бид өмнө нь байсан багаж хэрэгсэл болон квант мэдээллийн шинжлэх ухааны хамгийн сүүлийн үеийн гэж тооцогддог хэрэгслүүдийг ашигласан" гэж Ли хэлэв. 

Суурийн төлөвийн энергийг шийдвэрлэх өмнөх рекорд нь 12 кубит ба вариацын квант өөрийн уусгагч (VQE) гэгддэг аргад тулгуурласан. VQE-ийн асуудал нь харилцан үйлчлэлийн электронуудын нөлөөг тооцоогүйд байгаа бөгөөд энэ нь үндсэн төлөвийн энергийг тооцоолоход маш чухал юм. Лигийн хэлснээр, химичдэд илүү том молекулуудтай ажиллахад туслахын тулд сонгодог компьютеруудын виртуал корреляцийн техникийг нэмж болно. 

Шинэ эрлийз сонгодог-квант тооцоолол нь зарим шилдэг сонгодог аргуудтай ижил нарийвчлалтай болохыг харуулсан нь нарийн төвөгтэй асуудлыг квант компьютерийн тусламжтайгаар илүү нарийвчлалтай, хурдан шийдвэрлэх боломжтой болохыг харуулж байна. 

"Илүү том, илүү төвөгтэй химийн асуудлыг шийдвэрлэх боломж цаг хугацаа өнгөрөх тусам нэмэгдэнэ" гэж Ли хэлэв. "Энэ нь бидний хөгжүүлж буй квант технологи нь практикт хэрэг болно гэсэн итгэл найдвар төрүүлж байна."