Kuantum Hesaplama Algoritması Yeni Malzemelerin Tasarımına Yol Açabilir

Kolumbia Üniversitesi’nden bir araştırma ekibi, moleküler enerji hesaplamak ve yeni malzemelerin tasarlanmasına yardımcı olmak için bir kuantum bilgisayar algoritması geliştirdi. Algoritma, kuantum mekanik bir sistemdeki en düşük enerji durumunu hesaplamak için bugüne kadar kullanılan en fazla kuantum bitini kullanıyor.

Yeni çalışma Nature dergisinde yayımlandı.

Temel Enerji Hesaplanması

Algoritma, Kolumbia kimya profesörü David Reichman ve postdoc Joonho Lee ile Google (GOOGL ) Quantum AI’den araştırmacılar tarafından geliştirildi. Kimya denklemlerinde kuantum bitleri tarafından üretilen istatistiksel hataları azaltır ve temel enerji durumunu hesaplamak için Google’ın 53 kuantum bitlik Sycamore bilgisayarında 16 kuantum bit kullanır.

“Bu, gerçek bir kuantum cihazında yapılan en büyük kuantum kimyası hesaplamaları,” dedi Reichman.

Temel enerji durumunu doğru bir şekilde hesaplayabilme yeteneği, kimyagerlerin yeni malzemeler tasarlamalarına olanak tanır. Örneğin, algoritma, tarım için nitrojen sabitlenmesi hızını artıran malzemeler tasarlamak için kullanılabilir. Bu, Lee’ye göre, birçok olası sürdürülebilirlik uygulamasından sadece biri.

Algoritma, birçok rastgele ve bilinmeyen değişken olduğunda olasılık hesaplamak için kullanılan bir sistem olan kuantum Monte Carlo’ya dayanır. Araştırmacılar, algoritmayı üç tür molekülün temel enerji durumunu belirlemek için kullandılar.

Temel enerjiyi etkileyen birçok değişken vardır, Örneğin, bir moleküldeki elektron sayısı, spin yönü ve bir çekirdek etrafında izledikleri yollar. Elektronik enerji, Schrödinger (SDGR ) denklemi ile kodlanır, bu da klasik bir bilgisayarda moleküller büyüdükçe çok zor hale gelir. Ancak, bu problemi çözmek için yöntemler vardır ve kuantum bilgisayarlar bu üssel ölçekleme sorununu sonunda aşabilir.

Daha Büyük ve Karmaşık Hesaplamalarla Başa Çıkmak

İlkelerine göre, kuantum bilgisayarların daha büyük ve karmaşık hesaplamalarla başa çıkması mümkün olmalıdır, çünkü kuantum bitleri kuantum durumlarından yararlanırlar. Kuantum bitleri, ikili rakamların aksine, aynı anda iki durumda olabilir. Aynı zamanda, kuantum bitleri kırılgandır ve kuantum bitlerinin sayısı arttıkça, son cevabın doğruluğu azalır. Lee, karmaşık denklemleri daha verimli bir şekilde çözmek ve hataları en aza indirmek için hem klasik hem de kuantum bilgisayarların birleşik gücünden yararlanmak için yeni algoritmayı geliştirdi.

“Bu, her iki dünyanın en iyisidir,” dedi Lee. “Zaten sahip olduğumuz araçları ve kuantum bilgi biliminde state-of-the-art kabul edilen araçları, kuantum hesaplamalı kimyayı iyileştirmek için kullandık.”

Temel enerji durumunu çözmek için önceki rekor, 12 kuantum bit ve varyasyonel kuantum eigensolver (VQE) yöntemini kullanıyordu. VQE’nin sorunu, etkileşen elektronların etkilerini hesaba katmamasıydı, bu da temel enerji durumunu hesaplamak için çok önemlidir. Lee’ye göre, klasik bilgisayarlardan sanal korelasyon teknikleri kimyagerlerin daha büyük moleküllerle başa çıkmasına yardımcı olabilir.

Yeni hibrit klasik-kuantum hesaplamalar, bazı en iyi klasik yöntemlerle aynı düzeyde bir doğruluk gösterdi, bu da karmaşık problemlerin bir kuantum bilgisayarla daha doğru ve hızlı bir şekilde çözülebileceğini gösteriyor.

“Daha büyük ve daha zorlu kimyasal problemleri çözebilirlik, zamanla sadece artacak,” dedi Lee. “Bu, geliştirilen kuantum teknolojilerinin pratik olarak faydalı olacağı umudunu veriyor.”