Kuantum Hesaplama Algoritması Yeni Malzemelerin Tasarımına Yol Açabilir

Columbia Üniversitesi’ndeki bir araştırma ekibi, kuantum bilgisayarların moleküler enerjiyi hesaplamasına yardımcı olabilecek ve yeni malzemelerin tasarımına yol açabilecek yeni bir algoritma geliştirdi. Algoritma, yerleşik durumda enerji hesaplamak için şimdiye kadar kullanılan en fazla kuantum bitini kullanıyor, bu da kuantum mekanik bir sistemdeki en düşük enerji durumudur.

Yeni çalışma Nature‘de yayımlandı.

Yerleşik Durum Enerjisi Hesaplanması

Algoritma, Columbia kimya profesörü David Reichman ve postdoc Joonho Lee tarafından Google Quantum AI’deki araştırmacılarla birlikte geliştirildi. Kimya denklemlerinde kuantum bitleri tarafından üretilen istatistiksel hataları azaltır ve yerleşik durum enerjisini hesaplamak için Google’ın 53-qubit Sycamore bilgisayarında 16 qubite kadar kullanır, bu da bir molekülün en düşük enerji durumudur.

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

Yerleşik durum enerjisini doğru bir şekilde hesaplayabilme yeteneğine sahip olmak, kimyagerlerin yeni malzemeler geliştirmesine olanak tanır. Örneğin, algoritma, tarım için nitrojen sabitlenmesini hızlandıran malzemelerin tasarımında kullanılabilir. Bu, Lee’ye göre birçok olası sürdürülebilirlik kullanımından sadece biri, o da Google Quantum AI’de ziyaretçi araştırmacıdır.

Algoritma, kuantum Monte Carlo’ya dayanır, bu da birçok rastgele, bilinmeyen değişken olduğunda olasılık hesaplamak için kullanılan bir yöntemler sistemidir. Araştırmacılar, üç tür molekülün yerleşik durum enerjisini belirlemek için algoritmayı dağıttı.

Yerleşik durum enerjisini etkileyen birçok değişken vardır, örneğin bir moleküldeki elektron sayısı, spin yönleri ve bir çekirdeğin etrafında orbit alırken izledikleri yollar. Elektronik enerji, Schrödinger denklemine kodlanır, bu da klasik bir bilgisayarda moleküller büyüdükçe çok zor hale gelir. Bununla birlikte, bunu daha kolay hale getirmek için yöntemler vardır ve kuantum bilgisayarlar sonunda bu üssel ölçekleme sorununu atlayabilir.

Daha Büyük ve Karmaşık Hesaplamalarla Başa Çıkma

İlkelerine göre, kuantum bilgisayarların daha büyük ve daha karmaşık hesaplamalarla başa çıkması mümkün olmalıdır, çünkü qubit’ler kuantum durumlarından yararlanırlar. Qubit’ler aynı anda iki durumda var olabilir, bu da ikili rakamlar için doğru değildir. Aynı zamanda, qubit’ler kırılgandır ve qubit sayısı arttıkça son cevabın doğruluğu azalır. Lee, karmaşık denklemleri daha verimli bir şekilde çözmek ve aynı zamanda 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 bilimi alanında devlet-sanat araçlarını kuantum hesaplamalı kimyayı iyileştirmek için kullandık” dedi Lee.

Yerleşik durum enerjisini çözmek için önceki rekor, 12 qubit ve varyasyonel kuantum eigensolver (VQE) olarak bilinen bir yöntem kullanıyordu. VQE’nin sorunu, yerleşik durum enerjisini hesaplamak için çok önemli olan etkileşimli elektronların etkilerini dikkate almamasıydı. Lee’ye göre, klasik bilgisayarlardan sanal korelasyon teknikleri kimyagerlerin daha büyük moleküllerle başa çıkmasına yardımcı olmak için eklenebilir.

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

“Daha büyük ve daha zorlu kimyasal sorunları çözebilme olasılığı zamanla sadece artacak” dedi Lee. “Bu, geliştirilen kuantum teknolojilerinin pratikte faydalı olacağı umudunu veriyor.”