Svenske forskere bruger fejlbegrænsningsteknik til at anvende kvanteberegning til kemi

Svenske forskere bruger fejlbegrænsningsteknik til at anvende kvanteberegning til kemi

Tidsstempel: 20. april 2023 kl. 8
Kildeknude: 2597727

20. april 2023 — Forskere ved Chalmers Universitet har meddelt, at en kvantecomputer for første gang i Sverige er blevet brugt til beregninger i et virkeligt case i kemi ved hjælp af en metode kaldet Reference-State Error Mitigation (REM), som forskere siger, at det virker ved at korrigere for de fejl, der opstår på grund af støj, ved at bruge beregningerne fra både en kvantecomputer og en konventionel computer.

"Kvantecomputere kunne i teorien bruges til at håndtere tilfælde, hvor elektroner og atomkerner bevæger sig på mere komplicerede måder. Hvis vi kan lære at udnytte deres fulde potentiale, burde vi være i stand til at rykke grænserne for, hvad der er muligt at beregne og forstå,” siger Martin Rahm, lektor i teoretisk kemi ved Institut for Kemi og Kemiteknik, der har ledet undersøgelse.

Inden for kvantekemien bruges kvantemekanikkens love til at forstå, hvilke kemiske reaktioner der er mulige, hvilke strukturer og materialer der kan udvikles, og hvilke egenskaber de har. Sådanne undersøgelser udføres normalt ved hjælp af supercomputere, bygget med konventionelle logiske kredsløb. Der er dog en grænse for, hvilke beregninger konventionelle computere kan klare. Fordi kvantemekanikkens love beskriver naturens adfærd på et subatomært niveau, mener mange forskere, at en kvantecomputer burde være bedre rustet til at udføre molekylære beregninger end en konventionel computer.

"De fleste ting i denne verden er i sagens natur kemiske. For eksempel er vores energibærere, inden for biologi såvel som i gamle eller nye biler, opbygget af elektroner og atomkerner arrangeret på forskellig vis i molekyler og materialer. Nogle af de problemer, vi løser inden for kvantekemi, er at beregne, hvilke af disse arrangementer, der er mest sandsynlige eller fordelagtige, sammen med deres egenskaber,” siger Martin Rahm.

Der er stadig et stykke vej at gå, før kvantecomputere kan opnå det, forskerne sigter efter. Dette forskningsfelt er stadig ungt og de små modelberegninger, der bliver kørt, kompliceres af støj fra kvantecomputerens omgivelser. Martin Rahm og hans kolleger har dog nu fundet en metode, som de ser som et vigtigt skridt fremad. Metoden kaldes Reference-State Error Mitigation (REM) og fungerer ved at korrigere for de fejl, der opstår på grund af støj, ved at udnytte beregningerne fra både en kvantecomputer og en konventionel computer.

”Undersøgelsen er et bevis på, at vores metode kan forbedre kvaliteten af ​​kvantekemiske beregninger. Det er et nyttigt værktøj, som vi vil bruge til at forbedre vores beregninger på kvantecomputere fremover,” sagde Rahm.

Princippet bag metoden er først at overveje en referencetilstand ved at beskrive og løse det samme problem på både en konventionel og en kvantecomputer. Denne referencetilstand repræsenterer en enklere beskrivelse af et molekyle end det oprindelige problem, der skulle løses af kvantecomputeren. En konventionel computer kan løse denne enklere version af problemet hurtigt. Ved at sammenligne resultaterne fra begge computere kan der laves et nøjagtigt estimat for mængden af ​​fejl forårsaget af støj. Forskellen mellem de to computeres løsninger på referenceproblemet kan så bruges til at rette løsningen på det oprindelige, mere komplekse problem, når det køres på kvanteprocessoren. Ved at kombinere denne nye metode med data fra Chalmers' kvantecomputer Särimner* er det lykkedes forskerne at beregne den iboende energi af små eksempelmolekyler som brint og lithiumhydrid. Tilsvarende beregninger kan udføres hurtigere på en konventionel computer, men den nye metode repræsenterer en vigtig udvikling og er den første demonstration af en kvantekemisk beregning på en kvantecomputer i Sverige.

"Vi ser gode muligheder for at videreudvikle metoden til at muliggøre beregninger af større og mere komplekse molekyler, når næste generation af kvantecomputere er klar," siger Martin Rahm.

Forskningen er udført i tæt samarbejde med kolleger ved Institut for Mikroteknologi og Nanovidenskab. De har bygget de kvantecomputere, der bruges i undersøgelsen, og hjulpet med at udføre de følsomme målinger, der er nødvendige for de kemiske beregninger.

"Det er kun ved at bruge rigtige kvantealgoritmer, at vi kan forstå, hvordan vores hardware virkelig fungerer, og hvordan vi kan forbedre det. Kemiske beregninger er et af de første områder, hvor vi tror på, at kvantecomputere vil være nyttige, så vores samarbejde med Martin Rahms gruppe er særligt værdifuldt,” siger Jonas Bylander, lektor i kvanteteknologi ved Institut for Mikroteknologi og Nanovidenskab.

Læs artiklen Reference-State Error Mitigation: En strategi for høj nøjagtighed kvanteberegning af kemi i Journal of Chemical Theory and Computation.
Artiklen er skrevet af Phalgun Lolur, Mårten Skogh, Werner Dobrautz, Christopher Warren, Janka Biznárová, Amr Osman, Giovanna Tancredi, Göran Wendin, Jonas Bylander og Martin Rahm. Forskerne er aktive på Chalmers Tekniske Universitet.

Undersøgelsen er udført i samarbejde med Wallenberg Center for Kvanteteknologi (WACQT) og EU-projektet OpensuperQ. OpensuperQ forbinder universiteter og virksomheder i 10 europæiske lande med det formål at bygge en kvantecomputer, og udvidelsen vil bidrage med yderligere midler til forskere på Chalmers til deres arbejde med kvantekemiske beregninger.

*Särimner er navnet på en kvanteprocessor med fem qubits, eller kvantebits, bygget af Chalmers inden for rammerne af Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT). Dens navn er lånt fra nordisk mytologi, hvor grisen Särimner blev slagtet og spist hver dag, kun for at genopstå.
Särimner er nu erstattet af en større computer med 25 qubits og målet for WACQT er at bygge en kvantecomputer med 100 qubits, der kan løse problemer langt ud over kapaciteten af ​​nutidens bedste konventionelle supercomputere.

Tidsstempel:

Mere fra Inde i HPC