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 grondtoestandenergie te berekenen, wat de laagste-energetoestand is in een quantummechanisch systeem.

De nieuwe studie werd gepubliceerd in Nature.

Berekening van grondtoestandenergie

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

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

Door in staat te zijn om de grondtoestandenergie nauwkeurig te berekenen, kunnen chemici nieuwe materialen 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 afhankelijk van een quantum-Monte-Carlosimulatie, 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 grondtoestandenergie van drie soorten moleculen te bepalen.

Er zijn veel variabelen die de grondtoestandenergie kunnen beïnvloeden, zoals het aantal elektronen in een molecuul, de richting van hun spin en de banen die ze volgen wanneer ze een nucleus omcirkelen. De elektronische energie is gecodeerd in de Schrödingervergelijking, die extreem moeilijk op te lossen is 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

Volgens principe zou het mogelijk moeten zijn voor quantumcomputers om grotere en complexere berekeningen aan te kunnen, aangezien de qubits gebruikmaken van quantumtoestanden. Qubits kunnen tegelijkertijd in twee toestanden bestaan, 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 quantumcomputerscheikunde te verfijnen,” zei Lee.

Het vorige record voor het oplossen van grondtoestandenergie was afhankelijk van 12 qubits en een methode bekend als 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 grondtoestandenergie. 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 aangetoond die gelijk is aan enkele 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 moeilijkere 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.”