Algoritmul de calcul cuantific poate conduce la proiectarea de materiale noi

O echipă de cercetători de la Universitatea Columbia a dezvoltat un nou algoritm care ar putea ajuta calculatoarele cuantice să calculeze energia moleculară și să conducă la proiectarea de materiale noi. Algoritmul utilizează cei mai mulți biți cuanți până în prezent pentru a calcula energia de stare fundamentală, care este starea cu cea mai scăzută energie într-un sistem mecanic cuantic.

Noua studiu a fost publicată în Nature.

Calcularea energiei de stare fundamentală

Algoritmul a fost dezvoltat de profesorul de chimie de la Columbia, David Reichman, și de postdoc Joonho Lee, împreună cu cercetători de la Google (GOOGL ) Quantum AI. Acesta reduce erorile statistice produse de biții cuanți în ecuațiile chimice și utilizează până la 16 qubiți pe calculatorul Sycamore cu 53 de qubiți al Google pentru a calcula energia de stare fundamentală, care este starea cu cea mai scăzută energie a unei molecule.

„Acestea sunt cele mai mari calcule de chimie cuantică care au fost efectuate vreodată pe un dispozitiv cuantic real”, a spus Reichman.

Prin capacitatea de a calcula cu acuratețe energia de stare fundamentală, chimicii vor putea dezvolta materiale noi. De exemplu, algoritmul ar putea fi utilizat pentru a proiecta materiale care accelerează fixarea azotului pentru agricultură. Acesta este doar unul dintre multele posibile utilizări pentru durabilitate, conform lui Lee, care este cercetător invitat la Google Quantum AI.

Algoritmul se bazează pe o tehnică de Monte Carlo cuantică, care este un sistem de metode pentru calcularea probabilității atunci când există multe variabile aleatoare și necunoscute. Cercetătorii au implementat algoritmul pentru a determina energia de stare fundamentală a trei tipuri de molecule.

Există multe variabile care pot influența energia de stare fundamentală, cum ar fi numărul de electroni dintr-o moleculă, direcția spinului lor și traiectoriile pe care le urmează atunci când orbitează un nucleu. Energia electronică este codificată în ecuația Schrödinger (SDGR ), care devine extrem de greu de rezolvat pe un calculator clasic pe măsură ce moleculele devin mai mari. Cu toate acestea, există metode pentru a face acest lucru mai ușor, iar calculatoarele cuantice ar putea eventual ocoli această problemă de scalare exponențială.

Manipularea calculelor mai mari și mai complexe

În principiu, ar trebui să fie posibil pentru calculatoarele cuantice să manipuleze calcule mai mari și mai complexe, deoarece qubiții utilizează stări cuantice. Qubiții pot exista în două stări simultan, ceea ce nu este adevărat pentru cifrele binare. În același timp, qubiții sunt fragili, și pe măsură ce numărul de qubiți crește, acuratețea răspunsului final scade. Lee a dezvoltat noul algoritm pentru a valorifica puterea combinată a calculatoarelor clasice și cuantice pentru a rezolva aceste ecuații complexe mai eficient și pentru a minimiza greșelile.

„Este cel mai bun din ambele lumi”, a spus Lee. „Am valorificat instrumentele pe care le aveam deja, precum și instrumentele considerate de ultimă generație în știința informației cuantice pentru a rafina chimia computațională cuantică”, a spus Lee.

Rezultatul anterior pentru calcularea energiei de stare fundamentală s-a bazat pe 12 qubiți și o metodă cunoscută sub numele de solverul de valori proprii cuantice variabile (VQE). Problema cu VQE este că nu a luat în considerare efectele electronilor care interacționează, ceea ce este crucial pentru calcularea energiei de stare fundamentală. Conform lui Lee, tehnici de corelație virtuală de la calculatoarele clasice ar putea fi adăugate pentru a ajuta chimicii să facă față moleculelor și mai mari.

Noile calcule hibride clasice-cuantice au demonstrat o acuratețe comparabilă cu unele dintre cele mai bune metode clasice, sugerând că problemele complexe ar putea fi rezolvate mai rapid și mai precis cu un calculator cuantic.

„Fezabilitatea rezolvării problemelor chimice mai mari și mai provocatoare va crește odată cu timpul”, a spus Lee. „Acest lucru ne dă speranță că tehnologiile cuantice care sunt dezvoltate vor fi utilitate practică.”