Kvantecomputeralgoritme kan føre til design av nye materialer

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

Den nye studien ble publisert i Nature. 

Beregning av grunntilstandenergi

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

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

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

Algoritmen bygger 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 grunntilstandenergien til tre typer molekyler. 

Det finnes mange variabler som kan påvirke grunntilstandenergi, 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 molekylene blir større. Med det sagt, finnes det metoder for å gjøre dette enklere, 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 qubits utnytter kvantetilstander. Qubits kan eksistere i to tilstander samtidig, noe som ikke er mulig for binære tall. Samtidig er qubits skjøre, og når antall qubits øker, øker feilmarginen i sluttsvaret. Lee utviklet den nye algoritmen for å utnytte den kombinerte kraften til både klassiske og kvantecomputere for å løse disse komplekse ligningene mer effektivt og samtidig minimere feil. 

“Det er det beste av to verdener,” sa Lee. “Vi utnyttet verktøy som vi allerede hadde, samt verktøy som anses som state-of-the-art i kvanteinformasjonsvitenskap for å forbedre kvantekjemiberegninger,” sa Lee. 

Den tidligere rekorden for å løse grunntilstandenergi baserte seg på 12 qubits og en metode kjent som variational quantum eigensolver (VQE). Problemet med VQE er at den ikke tok hensyn til effektene av interagerende elektroner, noe som er avgjørende for å beregne grunntilstandenergi. Ifølge Lee kan virtuelle korrelasjonsteknikker fra klassiske datamaskiner legges 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 kvanteteknologiene som utvikles vil være praktisk nyttige.”