量子คอมพิวเตอร์ Algorithm ที่สามารถช่วยออกแบบวัสดุใหม่

ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโคลัมเบียได้พัฒนา Algorithm ใหม่ที่สามารถช่วยให้เครื่องคอมพิวเตอร์แบบ量ุม (Quantum Computer) คำนวณพลังงานโมเลกุลและช่วยออกแบบวัสดุใหม่ Algorithm นี้ใช้บิต量ุม (Qubit) มากที่สุดจนถึงปัจจุบันในการคำนวณพลังงานสถานะพื้น (Ground State Energy) ซึ่งเป็นสถานะที่มีพลังงานต่ำที่สุดในระบบกลศาสตร์量ุม

การศึกษานี้ได้รับการตีพิมพ์ใน Nature

การคำนวณพลังงานสถานะพื้น

Algorithm นี้ถูกพัฒนาโดย David Reichman ศาสตราจารย์ด้านเคมีจากมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย และ Joonho Lee นักวิจัยหลังปริญญาเอก ร่วมกับนักวิจัยจาก Google (GOOGL ) Quantum AI Algorithm นี้สามารถลดข้อผิดพลาดทางสถิติที่เกิดจากบิต量ุมในสมการเคมี และใช้บิต量ุมมากถึง 16 บิตในการคำนวณพลังงานสถานะพื้นโดยใช้เครื่องคอมพิวเตอร์ Sycamore ของ Google ที่มี 53 บิต量ุม

“นี่เป็นการคำนวณเคมีแบบ量ุมที่ใหญ่ที่สุดที่เคยทำบนเครื่องคอมพิวเตอร์แบบ量ุมจริง” Reichman กล่าว

ด้วยการคำนวณพลังงานสถานะพื้นที่แม่นยำ นักเคมีจะสามารถออกแบบวัสดุใหม่ๆ ได้ ตัวอย่างเช่น Algorithm นี้สามารถใช้ออกแบบวัสดุที่ช่วยเร่งปฏิกิริยาการตรึงไนโตรเจนสำหรับการเกษตร ซึ่งเป็นเพียงหนึ่งในหลายๆ การใช้งานที่เป็นไปได้สำหรับการพัฒนาที่ยั่งยืนตามที่ Lee กล่าว ซึ่งเป็นนักวิจัยรับเชิญที่ Google Quantum AI

Algorithm นี้อาศัยการจำลองแบบ Monte Carlo แบบ量ุม ซึ่งเป็นระบบวิธีการสำหรับการคำนวณความน่าจะเป็นเมื่อมีตัวแปรสุ่มที่ไม่ทราบจำนวนมาก นักวิจัยได้นำ Algorithm ไปใช้เพื่อกำหนดพลังงานสถานะพื้นของโมเลกุลสามชนิด

มีตัวแปรหลายตัวที่สามารถมีอิทธิพลต่อพลังงานสถานะพื้น เช่น จำนวนอิเล็กตรอนในโมเลกุล ทิศทางของการหมุนของอิเล็กตรอน และเส้นทางที่อิเล็กตรอนเดินทางเมื่อโคจรรอบนิวเคลียส พลังงานอิเล็กทรอนิกส์ถูกเข้ารหัสในสมการ Schrodinger ซึ่งยากที่จะแก้ได้บนเครื่องคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกเมื่อโมเลกุลมีขนาดใหญ่ขึ้น อย่างไรก็ตาม มีวิธีการที่สามารถทำให้การแก้สมการนี้ง่ายขึ้น และเครื่องคอมพิวเตอร์แบบ量ุมอาจสามารถหลีกเลี่ยงปัญหาการเพิ่มขึ้นแบบ指数ได้ในอนาคต

การรับมือกับการคำนวณที่ใหญ่และซับซ้อนมากขึ้น

ตามหลักการแล้ว ควรจะสามารถใช้เครื่องคอมพิวเตอร์แบบ量ุมในการคำนวณที่ใหญ่และซับซ้อนมากขึ้นได้ เนื่องจากบิต量ุมสามารถใช้ประโยชน์จากสถานะแบบ量ุม บิต量ุมสามารถมีสถานะที่สองพร้อมกัน ซึ่งไม่เหมือนกับบิตไบนารี ในขณะเดียวกัน บิต量ุมก็เปราะบาง และเมื่อจำนวนบิต量ุมเพิ่มขึ้น ความแม่นยำของคำตอบสุดท้ายก็จะลดลง Lee ได้พัฒนา Algorithm ใหม่นี้เพื่อใช้พลังรวมของเครื่องคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกและแบบ量ุมเพื่อแก้สมการซับซ้อนเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น，同时ลดข้อผิดพลาด

“这是ทั้งสองโลกที่ดีที่สุด” Lee กล่าว “เราใช้เครื่องมือที่เรามีอยู่แล้ว以及เครื่องมือที่ถือว่าเป็นรัฐของศิลปะใน科学ข้อมูล量ุมเพื่อปรับปรุงเคมีเชิงคำนวณแบบ量ุม”

สถิติเดิมสำหรับการแก้พลังงานสถานะพื้นขึ้นอยู่กับบิต量ุม 12 บิตและวิธีการที่เรียกว่า Variational Quantum Eigensolver (VQE) ปัญหากับ VQE คือไม่ได้คำนึงถึงผลกระทบของอิเล็กตรอนที่โต้ตอบซึ่งกันและกัน ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการคำนวณพลังงานสถานะพื้น ตามที่ Lee กล่าว เทคนิคสัมพันธ์แบบเสมือนที่มาจากเครื่องคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกสามารถถูกเพิ่มเข้าไปเพื่อช่วยให้นักเคมีรับมือกับโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นได้

การคำนวณแบบผสมคลาสสิก-量ุมใหม่นี้ได้แสดงความแม่นยำที่เทียบเท่ากับวิธีการแบบคลาสสิกที่ดีที่สุดบางวิธี ซึ่งบ่งชี้ว่าปัญหาที่ซับซ้อนสามารถแก้ไขได้อย่างแม่นยำและรวดเร็วขึ้นด้วยเครื่องคอมพิวเตอร์แบบ量ุม

“ความเป็นไปได้ในการแก้ปัญหาทางเคมีที่ใหญ่และท้าทายมากขึ้นจะเพิ่มขึ้นตามเวลา” Lee กล่าว “สิ่งนี้ทำให้เรามีความหวังว่าเทคโนโลยีแบบ量ุมที่กำลังพัฒนาจะมีประโยชน์ใช้งานจริง”