Quantum Computing-algoritme kan leiden tot ontwerp van nieuwe materialen

Een team van onderzoekers aan de Columbia University heeft een nieuwe algoritme ontwikkeld dat kan helpen bij het berekenen van moleculaire energie met quantumcomputers en kan leiden tot het ontwerp van nieuwe materialen. Het algoritme gebruikt de meeste quantumbits tot nu toe om de grondtoestand-energie te berekenen, wat de laagste-energetoestand is in een quantummechanisch systeem.

De nieuwe studie is gepubliceerd in Nature.

Berekening van grondtoestand-energie

Het algoritme is ontwikkeld door de Columbia-chemieprofessor David Reichman en postdoc Joonho Lee, samen met onderzoekers bij Google (GOOGL ) Quantum AI. Het reduceert de statistische fouten die worden gegenereerd door quantumbits in chemische vergelijkingen en gebruikt maximaal 16 qubits op Google’s 53-qubit Sycamore-computer om de grondtoestand-energie te berekenen, wat de laagste energietoestand van een molecuul is.

“Dit zijn de grootste quantumchemische berekeningen die ooit zijn gedaan op een echte quantumapparaat,” zei Reichman.

Door de grondtoestand-energie nauwkeurig te kunnen berekenen, zullen chemici in staat zijn om nieuwe materialen te ontwikkelen. Bijvoorbeeld, het algoritme kan worden gebruikt om materialen te ontwerpen die de stikstofbinding voor landbouw versnellen. Dit is slechts een van de vele mogelijke toepassingen op het gebied van duurzaamheid, volgens Lee, die een bezoeker is bij Google Quantum AI.

Het algoritme is gebaseerd op een quantum Monte Carlo, wat een systeem van methoden is voor het berekenen van waarschijnlijkheid wanneer er veel willekeurige, onbekende variabelen zijn. De onderzoekers hebben het algoritme ingezet om de grondtoestand-energie van drie soorten moleculen te bepalen.

Er zijn veel variabelen die de grondtoestand-energie kunnen beïnvloeden, zoals het aantal elektronen in een molecuul, de richting van hun spin en de banen die ze volgen bij het omcirkelen van een nucleus. De elektronische energie is gecodeerd in de Schrödingervergelijking, die extreem moeilijk is op te lossen op een klassieke computer als moleculen groter worden. Met dat gezegd, er zijn methoden om dit gemakkelijker te maken, en quantumcomputers kunnen uiteindelijk dit exponentiële schaalprobleem omzeilen.

Omgaan met grotere en complexere berekeningen

In theorie zou het mogelijk moeten zijn voor quantumcomputers om grotere en complexere berekeningen aan te kunnen, aangezien de qubits gebruikmaken van quantumtoestanden. Qubits kunnen bestaan in twee toestanden tegelijk, wat niet waar is voor binaire cijfers. Tegelijkertijd zijn qubits kwetsbaar en neemt de nauwkeurigheid van het eindantwoord af als het aantal qubits toeneemt. Lee heeft het nieuwe algoritme ontwikkeld om de gecombineerde kracht van zowel klassieke als quantumcomputers te benutten om deze complexe vergelijkingen efficiënter op te lossen en tegelijkertijd fouten te minimaliseren.

“Het is het beste van twee werelden,” zei Lee. “We hebben gebruikgemaakt van tools die we al hadden, evenals tools die als state-of-the-art worden beschouwd in de quantuminformatiewetenschap, om de quantumcomputational chemie te verfijnen,” zei Lee.

Het vorige record voor het oplossen van grondtoestand-energie was gebaseerd op 12 qubits en een methode genaamd de variationele quantum-eigensolver (VQE). Het probleem met VQE is dat het geen rekening hield met de effecten van interactie van elektronen, wat cruciaal is voor het berekenen van grondtoestand-energie. Volgens Lee kunnen virtuele correlatietechnieken van klassieke computers worden toegevoegd om chemici te helpen bij het omgaan met nog grotere moleculen.

De nieuwe hybride klassieke-quantumberekeningen hebben een nauwkeurigheid getoond die gelijk is aan sommige van de beste klassieke methoden, wat suggereert dat complexe problemen nauwkeuriger en sneller kunnen worden opgelost met een quantumcomputer.

“De haalbaarheid van het oplossen van grotere en complexere chemische problemen zal alleen maar toenemen met de tijd,” zei Lee. “Dit geeft ons hoop dat de quantumtechnologieën die worden ontwikkeld, praktisch nuttig zullen zijn.”