Algorytm komputerów kwantowych może prowadzić do opracowania nowych materiałów

Zespół badaczy z Uniwersytetu Columbia opracował nowy algorytm, który może pomóc komputerom kwantowym w obliczaniu energii molekularnej i prowadzić do opracowania nowych materiałów. Algorytm wykorzystuje największą ilość bitów kwantowych do obliczania energii stanu podstawowego, który jest stanem o najniższej energii w układzie mechanicznym kwantowym.

Nowe badanie zostało opublikowane w Nature.

Obliczanie energii stanu podstawowego

Algorytm został opracowany przez profesora chemii z Uniwersytetu Columbia, Davida Reichmana, i postdoktoranta Joonho Lee, wraz z badaczami z Google (GOOGL ) Quantum AI. Zmniejsza on błędy statystyczne, które są wytwarzane przez bity kwantowe w równaniach chemicznych, i wykorzystuje do 16 bitów kwantowych na komputerze Sycamore o 53 bitach kwantowych do obliczania energii stanu podstawowego, który jest stanem o najniższej energii molekuły.

„To są największe obliczenia chemiczne, jakie kiedykolwiek zostały wykonane na prawdziwym urządzeniu kwantowym”, powiedział Reichman.

Dzięki możliwości dokładnego obliczania energii stanu podstawowego, chemicy będą mogli opracować nowe materiały. Na przykład, algorytm może być wykorzystany do opracowania materiałów, które przyspieszają utlenianie azotu w rolnictwie. To tylko jeden z wielu możliwych zastosowań w dziedzinie zrównoważonego rozwoju, według Lee, który jest visiting researcherem w Google Quantum AI.

Algorytm opiera się na kwantowym Monte Carlo, który jest systemem metod obliczania prawdopodobieństwa, gdy jest wiele losowych, nieznanych zmiennych. Badacze wdrożyli algorytm, aby określić energię stanu podstawowego trzech rodzajów molekuł.

Istnieje wiele zmiennych, które mogą wpływać na energię stanu podstawowego, takich jak liczba elektronów w molekule, kierunek ich spinu i ścieżki, którymi poruszają się wokół jądra. Energia elektroniczna jest zakodowana w równaniu Schrödingera, które staje się niezwykle trudne do rozwiązania na klasycznym komputerze, gdy molekuły stają się większe. Z drugiej strony, istnieją metody, które mogą to ułatwić, a komputery kwantowe mogą ostatecznie ominąć ten problem skalowania wykładniczego.

Rozwiązywanie większych i bardziej złożonych obliczeń

Zgodnie z zasadą, powinno być możliwe, aby komputery kwantowe radziły sobie z większymi i bardziej złożonymi obliczeniami, ponieważ bity kwantowe wykorzystują stany kwantowe. Bity kwantowe mogą istnieć w dwóch stanach jednocześnie, co nie jest prawdą dla cyfr binarnych. Jednocześnie, bity kwantowe są kruche, a wraz ze wzrostem liczby bitów kwantowych, dokładność w końcowej odpowiedzi maleje. Lee opracował nowy algorytm, aby wykorzystać połączoną moc klasycznych i kwantowych komputerów do rozwiązania tych złożonych równań w sposób bardziej wydajny, a także minimalizując błędy.

„To jest najlepsze z obu światów”, powiedział Lee. „Wykorzystaliśmy narzędzia, które już mieliśmy, a także narzędzia uważane za najnowocześniejsze w dziedzinie kwantowej nauki o informacji, aby udoskonalić kwantową chemię obliczeniową”, powiedział Lee.

Poprzedni rekord dla rozwiązania energii stanu podstawowego opierał się na 12 bitach kwantowych i metodzie znanej jako variational quantum eigensolver (VQE). Problem z VQE polegał na tym, że nie uwzględniał efektów elektronów wzajemnie oddziałujących, co jest kluczowe dla obliczania energii stanu podstawowego. Według Lee, techniki korelacji wirtualnej z klasycznych komputerów mogą być dodane, aby pomóc chemikom radzić sobie z jeszcze większymi molekułami.

Nowe hybrydowe obliczenia klasyczno-kwantowe wykazały dokładność porównywalną z niektórymi z najlepszych klasycznych metod, sugerując, że złożone problemy mogą być rozwiązane bardziej dokładnie i szybciej za pomocą komputera kwantowego.

„Możliwość rozwiązania większych i bardziej wyzwaniowych problemów chemicznych będzie tylko rosła z czasem”, powiedział Lee. „To daje nam nadzieję, że technologie kwantowe, które są rozwijane, będą praktycznie użyteczne.”