Алгоритм квантовых вычислений может привести к разработке новых материалов

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

Новое исследование было опубликовано в Nature.

Расчет энергии основного состояния

Алгоритм был разработан профессором химии Колумбийского университета Дэвидом Райхманом и постдоком Джунхо Ли, а также исследователями из Google (GOOGL ) Quantum AI. Он снижает статистические ошибки, которые производятся квантовыми битами в химических уравнениях, и использует до 16 кубитов на 53-кубитном компьютере Sycamore от Google для расчета энергии основного состояния, которая является наименьшей энергией молекулы.

«Это самые большие квантово-химические расчеты, которые когда-либо были сделаны на реальном квантовом устройстве», – сказал Райхман.

Благодаря возможности точно рассчитать энергию основного состояния, химики смогут разработать новые материалы. Например, алгоритм может быть использован для разработки материалов, которые ускоряют фиксацию азота для сельского хозяйства. Это только один из многих возможных вариантов использования в области устойчивости, согласно Ли, который является приглашенным исследователем в Google Quantum AI.

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

Существует много переменных, которые могут влиять на энергию основного состояния, таких как количество электронов в молекуле, направление их спина и пути, которые они проходят при обращении вокруг ядра. Электронная энергия закодирована в уравнении Шрёдингера, которое становится чрезвычайно трудным для решения на классическом компьютере по мере увеличения размера молекул. Однако существуют методы, которые могут облегчить это, и квантовые компьютеры могут в конечном итоге обойти эту экспоненциальную проблему масштабирования.

Обработка более крупных и сложных расчетов

В принципе, должно быть возможно для квантовых компьютеров обрабатывать более крупные и сложные расчеты, поскольку кубиты используют квантовые состояния. Кубиты могут существовать в двух состояниях одновременно, что не является характеристикой бинарных цифр. Однако кубиты хрупкие, и по мере увеличения количества кубитов точность окончательного ответа уменьшается. Ли разработал новый алгоритм для использования объединенной мощности как классических, так и квантовых компьютеров для решения этих сложных уравнений более эффективно, а также для минимизации ошибок.

«Это лучшее из обоих миров», – сказал Ли. «Мы использовали инструменты, которые у нас уже были, а также инструменты, которые считаются передовыми в квантовой информационной науке, для совершенствования квантово-вычислительной химии».

Предыдущий рекорд по расчету энергии основного состояния основывался на 12 кубитах и методе, известном как вариационный квантовый решатель (VQE). Проблема с VQE заключалась в том, что он не учитывал эффекты взаимодействия электронов, что является важным для расчета энергии основного состояния. Согласно Ли, виртуальные корреляционные методы с классических компьютеров могут быть добавлены для помощи химикам в работе с еще более крупными молекулами.

Новые гибридные классические-квантовые расчеты продемонстрировали точность, сопоставимую с некоторыми из лучших классических методов, что предполагает, что сложные проблемы могут быть решены более точно и быстро с помощью квантового компьютера.

«Возможность решения более крупных и сложных химических проблем будет только увеличиваться с течением времени», – сказал Ли. «Это дает нам надежду, что квантовые технологии, которые разрабатываются, будут практически полезными».