Quantum Computing
Quantum Computing Algoritm kan leda till design av nya material

Ett team av forskare vid Columbia University har utvecklat en ny algoritm som kan hjälpa kvantdatorer att beräkna molekylär energi och leda till design av nya material. Algoritmen använder de flesta kvantbitar hittills för att beräkna grundtillståndsenergi, vilket är det lägsta energitillståndet i ett kvantmekaniskt system.
Den nya studien publicerades i Natur.
Beräkning av marktillståndsenergi
Algoritmen har utvecklats av Columbia kemiprofessor David Reichman och postdoc Joonho Lee, tillsammans med forskare vid Google Quantum AI. Den minskar de statistiska felen som produceras av kvantbitar i kemi-ekvationer, och den använder upp till 16 qubits på Googles 53-qubit Sycamore-dator för att beräkna grundtillståndsenergi, vilket är det lägsta energitillståndet för en molekyl.
"Detta är de största kvantkemiberäkningarna som någonsin har gjorts på en riktig kvantanordning," sa Reichman.
Genom att noggrant kunna beräkna grundtillståndsenergi kommer kemister att kunna utveckla nya material. Algoritmen kan till exempel användas för att designa material som påskyndar kvävefixering för jordbruk. Detta är bara en av många möjliga hållbarhetsanvändningar, enligt Lee, som är gästforskare på Google Quantum AI.
Algoritmen bygger på en kvant Monte Carlo, som är ett system av metoder för att beräkna sannolikhet när det finns många slumpmässiga, okända variabler. Forskarna använde algoritmen för att bestämma grundtillståndsenergin för tre typer av molekyler.
Det finns många variabler som kan påverka marktillståndsenergin, såsom antalet elektroner i en molekyl, riktningen för deras spinn och vägarna de tar när de kretsar runt en kärna. Den elektroniska energin är kodad i Schrodinger-ekvationen, som blir extremt svår att lösa på en klassisk dator när molekylerna blir större. Med det sagt finns det metoder för att göra detta enklare, och kvantdatorer kan så småningom kringgå detta exponentiella skalningsproblem.
Hantera större och mer komplexa beräkningar
Enligt principen ska det vara möjligt för kvantdatorer att hantera större och mer komplexa beräkningar eftersom kvantbitarna utnyttjar kvanttillstånd. Qubits kan existera i två tillstånd samtidigt, vilket inte är sant för binära siffror. Samtidigt är qubits ömtåliga, och när antalet qubits ökar minskar noggrannheten i det slutliga svaret. Lee utvecklade den nya algoritmen för att utnyttja den kombinerade kraften hos både klassiska och kvantdatorer för att lösa dessa komplexa ekvationer mer effektivt och samtidigt minimera misstag.
"Det är det bästa av två världar," sa Lee. "Vi utnyttjade verktyg som vi redan hade, såväl som verktyg som anses vara toppmoderna inom kvantinformationsvetenskap för att förfina kvantberäkningskemin," sa Lee.
Det tidigare rekordet för att lösa grundtillståndsenergi förlitade sig på 12 qubits och en metod känd som Variations quantum eigensolver (VQE). Problemet med VQE är att det inte tog hänsyn till effekterna av interagerande elektroner, vilket är avgörande för att beräkna grundtillståndsenergi. Enligt Lee kan virtuella korrelationstekniker från klassiska datorer läggas till för att hjälpa kemister att hantera ännu större molekyler.
De nya hybridklassiska kvantberäkningarna visade en noggrannhet i nivå med några av de bästa klassiska metoderna, vilket tyder på att komplexa problem kunde lösas mer exakt och snabbare med en kvantdator.
"Möjligheten att lösa större och mer utmanande kemiska problem kommer bara att öka med tiden," sa Lee. "Detta ger oss hopp om att kvantteknologier som utvecklas kommer att vara praktiskt användbara."