Алгоритм квантовых вычислений может привести к разработке новых материалов

Команда исследователей в Колумбийском университете 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, которое 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 Google Quantum AI. Он уменьшает 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 состояния молекулы.

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

Благодаря возможности точно рассчитать энергию основного состояния, химики смогут разработать новые материалы. Например, алгоритм можно использовать для разработки материалов, которые ускоряют фиксацию азота для сельского хозяйства. Это только один из многих возможных вариантов использования в области устойчивости, по мнению 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 орбите 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 делают это проще, и квантовые компьютеры в конечном итоге могут обойти эту проблему экспоненциального масштабирования.

Обработка более крупных и сложных расчетов

Согласно принципу, квантовым компьютерам должно быть возможно 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, минимизируя при этом ошибки.

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

Предыдущий рекорд по расчету энергии основного состояния основывался на 12 кубитах и методе, известном как вариационный квантовый решатель собственных значений (VQE). Проблема с VQE заключалась в том, что он не учитывал эффекты взаимодействия электронов, что имеет решающее значение для расчета энергии основного состояния. Согласно Ли, виртуальные корреляционные методы с классических компьютеров можно добавить, чтобы помочь химикам справиться с еще более крупными молекулами.

Новые гибридные классические-квантовые расчеты продемонстрировали точность, сопоставимую с некоторыми из лучших классических методов, что говорит о том, что сложные проблемы можно решать более точно и быстро с помощью квантового компьютера.

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