Kvantecomputeralgoritme kan føre til design av nye materialer

Et team av forskere ved Columbia University har utviklet en ny algoritme som kan hjelpe kvantecomputere å beregne molekylenergi og føre til design av nye materialer. Algoritmen bruker de fleste kvantebiter hittil til å beregne grunnenergi, som er den laveste energitilstanden i et kvantemekanisk system.

Den nye studien ble publisert i Nature.

Beregning av grunnenergi

Algoritmen ble utviklet av Columbia-kjemiprofessor David Reichman og postdoktor Joonho Lee, sammen med forskere ved Google (GOOGL ) Quantum AI. Den reduserer de statistiske feilene som produseres av kvantebiter i kjemiske ligninger, og den bruker opptil 16 qubits på Google’s 53-qubit Sycamore-computer til å beregne grunnenergi, som er den laveste energitilstanden til en molekyl.

“Dette er de største kvantekjemiske beregningene som noensinne er gjort på en ekte kvantecomputer,” sa Reichman.

Ved å kunne beregne grunnenergi nøyaktig, vil kjemikere kunne utvikle nye materialer. For eksempel kan algoritmen brukes til å designe materialer som øker nitrogenfiksering for landbruk. Dette er bare ett av de mange mulige bærekraftige bruksområdene, ifølge Lee, som er en besøkende forsker ved Google Quantum AI.

Algoritmen baserer seg på en kvantemonte Carlo, som er et system av metoder for å beregne sannsynlighet når det finnes mange tilfeldige, ukjente variabler. Forskerne deployerte algoritmen for å bestemme grunnenergien til tre typer molekyler.

Det finnes mange variabler som kan påvirke grunnenergi, som antall elektroner i en molekyl, retningen av deres spin og banene de tar når de går i bane rundt en atomkjerne. Den elektroniske energien er kodet i Schrödinger-ligningen, som blir ekstremt vanskelig å løse på en klassisk computer når molekyler blir større. Med det sagt finnes det metoder for å gjøre dette lettere, og kvantecomputere kan til slutt omgå dette eksponentielle skaleringsproblemet.

Håndtering av større og mer komplekse beregninger

Ifølge prinsippet bør det være mulig for kvantecomputere å håndtere større og mer komplekse beregninger siden qubitene utnytter kvantetilstander. Qubitene kan eksistere i to tilstander samtidig, noe som ikke er sant for binærtall. Samtidig er qubitene skjøre, og når antall qubit øker, øker feilmarginen i svaret. Lee utviklet den nye algoritmen for å utnytte den kombinerende kraften til både klassiske og kvantecomputere for å løse disse komplekse ligningene mer effektivt og samtidig minimere feil.

“Det er det beste av begge verdener,” sa Lee. “Vi utnyttet verktøyene vi allerede hadde, samt verktøy som anses for å være på toppnivå i kvanteinformasjonsvitenskap for å forbedre kvantecomputasjonskjemi,” sa Lee.

Den tidligere rekorden for å løse grunnenergi baserte seg på 12 qubit og en metode kjent som variational quantum eigensolver (VQE). Problemet med VQE er at den ikke tok hensyn til effektene av samspill mellom elektroner, noe som er avgjørende for å beregne grunnenergi. Ifølge Lee kan virtuelle korrelasjonsteknikker fra klassiske computere bli lagt til for å hjelpe kjemikere med å håndtere enda større molekyler.

De nye hybrid klassisk-kvanteberegningene viste en nøyaktighet på linje med noen av de beste klassiske metodene, noe som tyder på at komplekse problemer kan løses mer nøyaktig og raskt med en kvantecomputer.

“Muligheten for å løse større og mer utfordrende kjemiproblemer vil bare øke med tid,” sa Lee. “Dette gir oss håp om at kvanteteknologier som utvikles vil være praktisk nyttige.”