Thuật toán Máy tính 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 thiết kế vật liệu mới. Thuật toán sử dụng số lượng bit lượng tử lớn nhất đến nay để tính toán năng lượng trạng thái cơ bản, là trạng thái năng lượng thấp nhất trong một hệ thống cơ học lượng tử.

Nghiên cứu mới được công bố trên Nature.

Tính toán Năng lượng Trạng thái Cơ bản

Thuật toán được phát triển bởi giáo sư hóa học David Reichman của Columbia và nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Joonho Lee, cùng với các nhà nghiên cứu tại Google Quantum AI. Nó giảm thiểu các lỗi thống kê được tạo ra bởi các bit lượng tử trong các phương trình hóa học, và nó sử dụng lên đến 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.

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

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

Thuật toán dựa trên Monte Carlo lượng tử, là một hệ thống phương pháp để tính toán xác suất khi có nhiều biến số ngẫu nhiên, không xác định. 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 trạng thái cơ bản, chẳng hạn như số electron trong một phân tử, hướng quay của chúng và đường đi chúng khi quay quanh hạt nhân. Năng lượng điện tử được mã hóa trong phương trình Schrodinger, trở nên cực kỳ khó giải trên máy tính cổ điển khi các phân tử trở nên lớn hơn. Tuy nhiên, có các phương pháp để làm cho việc này dễ dàng hơn, và máy tính lượng tử cuối cùng có thể vượt qua vấn đề tỷ lệ tăng trưởng theo cấp số nhân này.

Xử lý Tính toán Lớn và Phức tạp Hơn

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

“Đây là điều tốt nhất của cả hai thế giới,” Lee nói. “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,” Lee nói.

Kỷ lục trước đó về việc giải năng lượng trạng thái cơ bản dựa trên 12 qubit và một phương pháp gọi là biến thể lượng tử eigensolver (VQE). Vấn đề với VQE là nó không tính đến ảnh hưởng của các electron tương tác, điều 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 giải quyết các phân tử lớn hơn.

Các tính toán cổ điển-lượng tử hỗn hợp mới đã chứng minh độ chính xác tương đương 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 hơn với máy tính lượng tử.

“Khả năng giải quyết các vấn đề hóa học lớn hơn và thách thức hơn sẽ chỉ tăng lên theo thời gian,” Lee nói. “Điều này mang lại cho chúng tôi hy vọng rằng các công nghệ lượng tử đang được phát triển sẽ thực sự hữu ích.”