Алгоритм квантовых вычислений может привести к разработке новых материалов

Команда исследователей из Колумбийского университета разработала новый алгоритм, который может помочь квантовым компьютерам рассчитывать молекулярную энергию и привести к созданию новых материалов. Алгоритм использует наибольшее количество квантовых битов на сегодняшний день для расчета энергии основного состояния, которое является состоянием с наименьшей энергией в квантово-механической системе. 

Новое исследование было опубликовано в Природа. 

Расчет энергии основного состояния

Алгоритм был разработан профессором химии Колумбийского университета Дэвидом Райхманом и постдоком Джунхо Ли вместе с исследователями из Google Quantum AI. Он уменьшает статистические ошибки, создаваемые квантовыми битами в уравнениях химии, и использует до 16 кубитов на 53-кубитном компьютере Google Sycamore для расчета энергии основного состояния, которое является самым низким энергетическим состоянием молекулы. 

«Это крупнейшие квантово-химические расчеты, которые когда-либо проводились на реальном квантовом устройстве», — сказал Райхман. 

Имея возможность точно рассчитать энергию основного состояния, химики смогут разрабатывать новые материалы. Например, алгоритм можно использовать для разработки материалов, ускоряющих фиксацию азота в сельском хозяйстве. По словам Ли, приглашенного исследователя в Google Quantum AI, это лишь одно из многих возможных применений устойчивого развития.

Алгоритм основан на квантовом Монте-Карло, который представляет собой систему методов вычисления вероятности при наличии множества случайных неизвестных переменных. Исследователи применили алгоритм для определения энергии основного состояния трех типов молекул. 

Есть много переменных, которые могут влиять на энергию основного состояния, например, количество электронов в молекуле, направление их вращения и траектории, по которым они движутся по орбите вокруг ядра. Энергия электронов закодирована в уравнении Шрёдингера, которое становится чрезвычайно трудно решить на классическом компьютере по мере того, как молекулы становятся больше. С учетом сказанного существуют способы упростить эту задачу, и квантовые компьютеры могут в конечном итоге обойти эту проблему экспоненциального масштабирования. 

Обработка больших и более сложных вычислений

В принципе, квантовые компьютеры должны иметь возможность выполнять более крупные и сложные вычисления, поскольку кубиты используют преимущества квантовых состояний. Кубиты могут находиться в двух состояниях одновременно, чего нельзя сказать о двоичных числах. В то же время кубиты хрупки, и по мере увеличения количества кубитов точность окончательного ответа снижается. Ли разработал новый алгоритм, чтобы использовать объединенные возможности классических и квантовых компьютеров для более эффективного решения этих сложных уравнений, а также свести к минимуму ошибки. 

«Это лучшее из обоих миров», — сказал Ли. «Мы использовали инструменты, которые у нас уже были, а также инструменты, которые считаются самыми современными в квантовой информатике, для усовершенствования квантовой вычислительной химии», — сказал Ли. 

Предыдущий рекорд для определения энергии основного состояния основывался на 12 кубитах и ​​методе, известном как вариационный квантовый собственный решатель (VQE). Проблема с VQE заключается в том, что он не принимал во внимание эффекты взаимодействующих электронов, что имеет решающее значение для расчета энергии основного состояния. По словам Ли, методы виртуальной корреляции из классических компьютеров могут быть добавлены, чтобы помочь химикам работать с еще более крупными молекулами. 

Новые гибридные классические и квантовые вычисления продемонстрировали точность, сравнимую с некоторыми из лучших классических методов, предполагая, что сложные задачи можно решать более точно и быстро с помощью квантового компьютера. 

«Возможность решения более крупных и сложных химических проблем со временем будет только возрастать», — сказал Ли. «Это дает нам надежду, что разрабатываемые квантовые технологии окажутся практически полезными».