Алгоритм квантових обчислень може привести до розробки нових матеріалів

Команда дослідників з Колумбійського університету розробила новий алгоритм, який може допомогти квантовим комп’ютерам розрахувати молекулярну енергію та привести до розробки нових матеріалів. Алгоритм використовує найбільшу кількість квантових бітів на сьогоднішній день для розрахунку енергії основного стану, яка є станом з найнижчою енергією в квантово-механічній системі.

Нове дослідження було опубліковано в Nature.

Розрахунок енергії основного стану

Алгоритм був розроблений професором хімії Колумбійського університету Девідом Райхманом та постдоком Джунхо Лі, разом з дослідниками з Google (GOOGL ) Quantum AI. Він зменшує статистичні помилки, які виникають при використанні квантових бітів у хімічних рівняннях, та використовує до 16 кубітів на 53-кубітному комп’ютері Sycamore для розрахунку енергії основного стану, яка є станом з найнижчою енергією молекули.

“Це найбільші квантово-хімічні розрахунки, які коли-небудь проводилися на реальному квантовому пристрої”, – сказав Райхман.

Отримавши можливість точно розрахувати енергію основного стану, хіміки зможуть розробити нові матеріали. Наприклад, алгоритм можна використовувати для розробки матеріалів, які прискорюють фіксацію азоту для сільського господарства. Це лише один з багатьох можливих застосунків у сфері сталості, згідно з Лі, який є відвідувачем-дослідником у Google Quantum AI.

Алгоритм використовує квантовий Монте-Карло, який є системою методів для розрахунку ймовірності при наявності багатьох випадкових, невідомих змінних. Дослідники застосували алгоритм для визначення енергії основного стану трьох типів молекул.

Є багато змінних, які можуть впливати на енергію основного стану, таких як кількість електронів у молекулі, напрямок їхнього спіну та траєкторії, які вони проходять при обертанні навколо ядра. Електронна енергія кодується у рівнянні Шредінгера, яке стає дуже складним для розв’язання на класичному комп’ютері при збільшенні розміру молекул. Однак існують методи для спрощення цього завдання, та квантові комп’ютери можуть врешті-решт обійти цю проблему експоненційного масштабування.

Обробка більших та складніших розрахунків

Згідно з принципом, квантовим комп’ютерам повинно бути можливим обробляти більші та складніші розрахунки, оскільки кубіти використовують квантові стани. Кубіти можуть існувати у двох станах одночасно, що не є характеристикою бінарних цифр. Однак кубіти є крихкими, та при збільшенні кількості кубітів точність у кінцевій відповіді зменшується. Лі розробив новий алгоритм для використання спільної потужності як класичних, так і квантових комп’ютерів для розв’язання цих складних рівнянь більш ефективно та при цьому мінімізувати помилки.

“Це найкраще з двох світів”, – сказав Лі. “Ми використали інструменти, які у нас вже були, а також інструменти, які вважаються найновішими у сфері квантової інформації, для вдосконалення квантової обчислювальної хімії”.

Попередній рекорд для розрахунку енергії основного стану залежав від 12 кубітів та методу, відомого як варіаційний квантовий еігенсольвер (VQE). Проблема з VQE полягає в тому, що він не врахував вплив взаємодіючих електронів, який є важливим для розрахунку енергії основного стану. Згідно з Лі, віртуальні кореляційні техніки з класичних комп’ютерів можна додати для допомоги хімікам у роботі з більшістю молекул.

Нові гібридні класично-квантові розрахунки продемонстрували точність, порівнянну з деякими з найкращих класичних методів, що свідчить про те, що складні проблеми можна розв’язати більш точно та швидко за допомогою квантового комп’ютера.

“Відповідність розв’язання більших та складніших хімічних проблем буде тільки збільшуватися з часом”, – сказав Лі. “Це дає нам надію, що квантові технології, які зараз розробляються, будуть практично корисними”.