Thuật toán điện toán lượng tử có thể dẫn đến thiết kế vật liệu mới

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Columbia đã phát triển một thuật toán mới có thể giúp máy tính lượng tử tính toán năng lượng phân tử và dẫn đến việc thiết kế các vật liệu mới. Thuật toán sử dụng nhiều bit lượng tử nhất cho đến nay để tính toán năng lượng trạng thái cơ bản, đây là trạng thái năng lượng thấp nhất trong hệ cơ học lượng tử. 

Nghiên cứu mới được công bố trên Thiên nhiên. 

Tính năng lượng trạng thái cơ bản

Thuật toán được phát triển bởi giáo sư hóa học Columbia David Reichman và tiến sĩ Joonho Lee, cùng với các nhà nghiên cứu tại Google Quantum AI. Nó làm giảm các lỗi thống kê được tạo ra bởi các bit lượng tử trong các phương trình hóa học và nó sử dụng tới 16 qubit trên máy tính Sycamore 53 qubit của Google để tính toán năng lượng trạng thái cơ bản, là trạng thái năng lượng thấp nhất của một phân tử. 

Reichman nói: “Đây là những tính toán hóa học lượng tử lớn nhất từng được thực hiện trên một thiết bị lượng tử thực sự. 

Bằng cách có thể tính toán chính xác năng lượng ở trạng thái cơ bản, các nhà hóa học sẽ có thể phát triển các vật liệu mới. Ví dụ, thuật toán có thể được sử dụng để thiết kế các vật liệu giúp tăng tốc độ cố định đạm cho nông nghiệp. Theo Lee, một nhà nghiên cứu tại Google Quantum AI, đây chỉ là một trong nhiều cách sử dụng bền vững có thể.

Thuật toán dựa trên Monte Carlo lượng tử, là một hệ thống các phương pháp tính xác suất khi có nhiều biến ngẫu nhiên, chưa biết. Các nhà nghiên cứu đã triển khai thuật toán để xác định năng lượng trạng thái cơ bản của ba loại phân tử. 

Có nhiều biến số có thể ảnh hưởng đến năng lượng ở trạng thái cơ bản, chẳng hạn như số lượng electron trong một phân tử, hướng quay của chúng và đường đi của chúng khi quay quanh một hạt nhân. Năng lượng điện tử được mã hóa trong phương trình Schrodinger, phương trình này trở nên cực kỳ khó giải trên máy tính cổ điển khi các phân tử ngày càng lớn hơn. Như đã nói, có nhiều phương pháp để làm điều này dễ dàng hơn và máy tính lượng tử cuối cùng có thể vượt qua vấn đề mở rộng theo cấp số nhân này. 

Xử lý các tính toán lớn hơn và phức tạp hơn

Theo nguyên tắc, các máy tính lượng tử có thể xử lý các phép tính lớn hơn và phức tạp hơn do các qubit tận dụng các trạng thái lượng tử. Qubit có thể tồn tại đồng thời ở hai trạng thái, điều này không đúng với các chữ số nhị phân. Đồng thời, các qubit rất dễ vỡ và khi số lượng qubit tăng lên, độ chính xác trong câu trả lời cuối cùng sẽ giảm đi. Lee đã phát triển thuật toán mới để tận dụng sức mạnh tổng hợp của cả máy tính cổ điển và máy tính lượng tử để giải các phương trình phức tạp này hiệu quả hơn đồng thời giảm thiểu sai sót. 

“Đó là điều tốt nhất của cả hai thế giới,” Lee nói. Lee cho biết: “Chúng tôi đã tận dụng các công cụ mà chúng tôi đã có cũng như các công cụ được coi là tiên tiến nhất trong khoa học thông tin lượng tử để tinh chỉnh hóa học tính toán lượng tử. 

Kỷ lục trước đây về việc giải năng lượng ở trạng thái cơ bản dựa trên 12 qubit và một phương pháp được gọi là bộ giải riêng lượng tử biến thiên (VQE). Vấn đề với VQE là nó đã không tính đến tác động của các electron tương tác, điều rất quan trọng để tính toán năng lượng trạng thái cơ bản. Theo Lee, các kỹ thuật tương quan ảo từ máy tính cổ điển có thể được thêm vào để giúp các nhà hóa học xử lý các phân tử thậm chí còn lớn hơn. 

Các phép tính lượng tử-cổ điển kết hợp mới đã chứng minh độ chính xác ngang bằng với một số phương pháp cổ điển tốt nhất, cho thấy rằng các vấn đề phức tạp có thể được giải quyết chính xác và nhanh chóng hơn bằng máy tính lượng tử. 

“Tính khả thi của việc giải các bài toán hóa học lớn hơn và thách thức hơn sẽ chỉ tăng lên theo thời gian,” Lee nói. “Điều này cho chúng tôi hy vọng rằng các công nghệ lượng tử đang được phát triển sẽ hữu ích trên thực tế.”