يستخدم الباحثون السويديون تقنية تخفيف الخطأ لتطبيق الحوسبة الكمية على الكيمياء

20 أبريل 2023 - أعلن باحثون في جامعة تشالمرز أنه لأول مرة في السويد ، تم استخدام جهاز كمبيوتر كمي لإجراء العمليات الحسابية ضمن حالة واقعية في الكيمياء باستخدام طريقة تسمى تخفيف أخطاء الحالة المرجعية (REM) ، والتي يقول الباحثون إنه يعمل عن طريق تصحيح الأخطاء التي تحدث بسبب الضوضاء من خلال استخدام الحسابات من كل من الكمبيوتر الكمومي والكمبيوتر التقليدي.

يمكن استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية نظريًا للتعامل مع الحالات التي تتحرك فيها الإلكترونات والنوى الذرية بطرق أكثر تعقيدًا. قال مارتن رام ، الأستاذ المساعد في الكيمياء النظرية في قسم الكيمياء والهندسة الكيميائية ، الذي قاد يذاكر.

في مجال كيمياء الكم ، تُستخدم قوانين ميكانيكا الكم لفهم التفاعلات الكيميائية الممكنة ، وما هي الهياكل والمواد التي يمكن تطويرها ، وما هي خصائصها. يتم إجراء مثل هذه الدراسات عادةً بمساعدة أجهزة الكمبيوتر الفائقة ، التي تم إنشاؤها باستخدام دوائر منطقية تقليدية. ومع ذلك ، هناك حد للحسابات التي يمكن لأجهزة الكمبيوتر التقليدية التعامل معها. نظرًا لأن قوانين ميكانيكا الكم تصف سلوك الطبيعة على المستوى دون الذري ، يعتقد العديد من الباحثين أن الكمبيوتر الكمومي يجب أن يكون مجهزًا بشكل أفضل لإجراء الحسابات الجزيئية من الكمبيوتر التقليدي.

"معظم الأشياء في هذا العالم كيميائية بطبيعتها. على سبيل المثال ، تتكون ناقلات الطاقة لدينا ، داخل علم الأحياء وكذلك في السيارات القديمة أو الجديدة ، من إلكترونات ونواة ذرية مرتبة بطرق مختلفة في الجزيئات والمواد. يقول مارتن رام إن بعض المشكلات التي نحلها في مجال كيمياء الكم هي حساب أي من هذه الترتيبات أكثر ترجيحًا أو فائدة ، إلى جانب خصائصها.

لا يزال هناك طريق لنقطعه قبل أن تتمكن أجهزة الكمبيوتر الكمومية من تحقيق ما يهدف إليه الباحثون. لا يزال مجال البحث هذا حديثًا ، كما أن حسابات النماذج الصغيرة التي يتم إجراؤها معقدة بسبب الضوضاء الصادرة عن محيط الكمبيوتر الكمومي. ومع ذلك ، فقد وجد مارتن رام وزملاؤه الآن طريقة يرون أنها خطوة مهمة إلى الأمام. تسمى هذه الطريقة بتقليل أخطاء الحالة المرجعية (REM) وتعمل عن طريق تصحيح الأخطاء التي تحدث بسبب الضوضاء من خلال استخدام الحسابات من كل من الكمبيوتر الكمومي والكمبيوتر التقليدي.

"الدراسة هي إثبات لمفهوم أن طريقتنا يمكن أن تحسن جودة الحسابات الكمومية الكيميائية. قال رام: "إنها أداة مفيدة سنستخدمها لتحسين حساباتنا على أجهزة الكمبيوتر الكمومية للمضي قدمًا".

المبدأ الكامن وراء هذه الطريقة هو النظر أولاً في حالة مرجعية من خلال وصف نفس المشكلة وحلها على كل من الكمبيوتر التقليدي والكمبيوتر الكمومي. تمثل هذه الحالة المرجعية وصفًا أبسط للجزيء من المشكلة الأصلية التي يُراد حلها بواسطة الكمبيوتر الكمومي. يمكن لجهاز كمبيوتر تقليدي حل هذا الإصدار الأبسط من المشكلة بسرعة. من خلال مقارنة النتائج من كلا الجهازين ، يمكن عمل تقدير دقيق لمقدار الخطأ الناجم عن الضوضاء. يمكن بعد ذلك استخدام الفرق بين حلول جهازي الكمبيوتر للمشكلة المرجعية لتصحيح حل المشكلة الأصلية الأكثر تعقيدًا عند تشغيلها على المعالج الكمي. من خلال دمج هذه الطريقة الجديدة مع البيانات من الكمبيوتر الكمومي Särimner * الخاص بـ Chalmers ، نجح الباحثون في حساب الطاقة الذاتية لجزيئات صغيرة مثل الهيدروجين وهيدريد الليثيوم. يمكن إجراء الحسابات المكافئة بسرعة أكبر على جهاز كمبيوتر تقليدي ، لكن الطريقة الجديدة تمثل تطورًا مهمًا وهي أول عرض عملي لحساب كيميائي كمي على كمبيوتر كمي في السويد.

يقول مارتن رام: "نرى إمكانات جيدة لمزيد من التطوير للطريقة للسماح بحسابات الجزيئات الأكبر والأكثر تعقيدًا ، عندما يكون الجيل التالي من أجهزة الكمبيوتر الكمومية جاهزًا".

تم إجراء البحث بالتعاون الوثيق مع الزملاء في قسم التكنولوجيا الدقيقة وعلم النانو. لقد قاموا ببناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية المستخدمة في الدراسة ، وساعدوا في إجراء القياسات الحساسة اللازمة للحسابات الكيميائية.

"فقط باستخدام خوارزميات كمومية حقيقية يمكننا فهم كيفية عمل أجهزتنا بالفعل وكيف يمكننا تحسينها. الحسابات الكيميائية هي واحدة من المجالات الأولى التي نعتقد فيها أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ستكون مفيدة ، لذا فإن تعاوننا مع مجموعة مارتن رام له قيمة خاصة ، "كما يقول جوناس بيلاندر ، الأستاذ المساعد في تكنولوجيا الكم في قسم التكنولوجيا الدقيقة وعلم النانو.

قراءة المقال تخفيف أخطاء الحالة المرجعية: إستراتيجية لحساب الكم عالي الدقة للكيمياء في مجلة النظرية الكيميائية والحساب.
كتب المقال فالجون لولور ، ومارتن سكوغ ، وفيرنر دوبراوتز ، وكريستوفر وارن ، وجانكا بيزناروفا ، وعمرو عثمان ، وجوفانا تانكريدي ، وجوران ويندين ، وجوناس بيلاندر ، ومارتن رام. ينشط الباحثون في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا.

تم إجراء البحث بالتعاون مع مركز والنبرغ لتكنولوجيا الكم (WACQT) و OpenSuperQ مشروع الاتحاد الأوروبي. يربط OpensuperQ جامعات وشركات في 10 دول أوروبية بهدف بناء كمبيوتر كمي ، وسيساهم امتداده في مزيد من التمويل للباحثين في تشالمرز لعملهم مع الحسابات الكيميائية الكمومية.

* Särimner هو اسم معالج كمي بخمس وحدات كيوبت ، أو بتات كمومية ، تم بناؤه بواسطة تشالمرز في إطار عمل مركز Wallenberg لتقنية الكم (WACQT). اسمها مستعار من الأساطير الاسكندنافية ، حيث ذبح الخنزير Särimner وأكله كل يوم ، ليتم إحيائه.
تم استبدال Särimner الآن بجهاز كمبيوتر أكبر يحتوي على 25 كيوبت والهدف من WACQT هو بناء كمبيوتر كمي مزود بـ 100 كيوبت يمكنه حل المشكلات التي تتجاوز بكثير قدرة أفضل أجهزة الكمبيوتر الفائقة التقليدية اليوم.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• بلاتوبلوكشين. Web3 Metaverse Intelligence. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• سك المستقبل مع أدرين أشلي. الوصول هنا.
• المصدر https://insidehpc.com/2023/04/swedish-researchers-use-error-mitigation-technique-to-apply-quantum-computing-to-chemistry/