Kvantdatoralgoritm 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 grundtillståndets energi, som är den lägsta energitillståndet i ett kvantmekaniskt system.

Den nya studien publicerades i Nature.

Beräkning av grundtillståndets energi

Algoritmen utvecklades av Columbias kemiprofessor David Reichman och postdoktor Joonho Lee, tillsammans med forskare vid Google (GOOGL ) Quantum AI. Den minskar de statistiska felen som produceras av kvantbitar i kemiska ekvationer, och den använder upp till 16 qubit på Googles 53-qubit Sycamore-dator för att beräkna grundtillståndets energi, som är den lägsta energitillståndet för en molekyl.

“Detta är de största kvantkemiska beräkningarna som någonsin har gjorts på en riktig kvantdator”, sa Reichman.

Genom att kunna beräkna grundtillståndets energi med stor noggrannhet kommer kemister att kunna utveckla nya material. Till exempel kan algoritmen användas för att designa material som accelererar kvävefixering för jordbruk. Detta är bara ett av de många möjliga användningsområdena för hållbarhet, enligt Lee, som är en gästforskare vid Google Quantum AI.

Algoritmen bygger på en kvant-Monte-Carlo-metod, som är ett system av metoder för att beräkna sannolikhet när det finns många slumpmässiga, okända variabler. Forskarna tillämpade algoritmen för att bestämma grundtillståndets energi för tre typer av molekyler.

Det finns många variabler som kan påverka grundtillståndets energi, såsom antalet elektroner i en molekyl, deras spinnriktning och de banor de tar när de kretsar kring en kärna. Den elektroniska energin kodas i Schrödingerekvationen, som blir extremt svår att lösa på en klassisk dator när molekyler blir större. Med det sagt finns det metoder för att göra detta lättare, och kvantdatorer kan eventuellt kringgå detta exponentiella skalningsproblem.

Hantering av större och mer komplexa beräkningar

Enligt princip bör det vara möjligt för kvantdatorer att hantera större och mer komplexa beräkningar eftersom qubitarna utnyttjar kvanttillstånd. Qubit kan existera i två tillstånd samtidigt, vilket inte är sant för binära siffror. Samtidigt är qubit ömtåliga, och när antalet qubit ökar, minskar noggrannheten i det slutliga svaret. Lee utvecklade den nya algoritmen för att utnyttja den kombinerade kraften från både klassiska och kvantdatorer för att lösa dessa komplexa ekvationer mer effektivt och samtidigt minimera fel.

“Det är det bästa av två världar”, sa Lee. “Vi utnyttjade verktyg som vi redan hade, samt verktyg som anses vara state-of-the-art inom kvantinformationsteknik för att förbättra kvantberäkningar inom kemisk vetenskap”, sa Lee.

Det tidigare rekordet för att lösa grundtillståndets energi byggde på 12 qubit och en metod som kallas variationell kvant-eigensolver (VQE). Problemet med VQE var att den inte tog hänsyn till effekterna av interagerande elektroner, vilket är avgörande för att beräkna grundtillståndets energi. 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 som är jämförbar med några av de bästa klassiska metoderna, vilket tyder på att komplexa problem kan lösas mer exakt och snabbt 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.”