Σουηδοί ερευνητές χρησιμοποιούν τεχνική μετριασμού σφαλμάτων για να εφαρμόσουν τον κβαντικό υπολογισμό στη χημεία

20 Απριλίου 2023 — Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Chalmers ανακοίνωσαν ότι για πρώτη φορά στη Σουηδία, ένας κβαντικός υπολογιστής χρησιμοποιήθηκε για υπολογισμούς σε μια πραγματική περίπτωση στη χημεία χρησιμοποιώντας μια μέθοδο που ονομάζεται Μετριασμός Σφάλματος Κατάστασης Αναφοράς (REM), η οποία Οι ερευνητές λένε ότι λειτουργεί διορθώνοντας τα σφάλματα που εμφανίζονται λόγω του θορύβου χρησιμοποιώντας τους υπολογισμούς τόσο από έναν κβαντικό όσο και από έναν συμβατικό υπολογιστή.

«Οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν θεωρητικά να χρησιμοποιηθούν για να χειριστούν περιπτώσεις όπου τα ηλεκτρόνια και οι ατομικοί πυρήνες κινούνται με πιο περίπλοκους τρόπους. Εάν μπορούμε να μάθουμε να αξιοποιούμε πλήρως τις δυνατότητές τους, θα πρέπει να είμαστε σε θέση να προωθήσουμε τα όρια του τι είναι δυνατό να υπολογιστεί και να κατανοηθεί», δήλωσε ο Martin Rahm, Αναπληρωτής Καθηγητής Θεωρητικής Χημείας στο Τμήμα Χημείας και Χημικής Μηχανικής, ο οποίος ηγήθηκε του μελέτη.

Στο πεδίο της κβαντικής χημείας, οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής χρησιμοποιούνται για να κατανοήσουν ποιες χημικές αντιδράσεις είναι δυνατές, ποιες δομές και υλικά μπορούν να αναπτυχθούν και ποια χαρακτηριστικά έχουν. Τέτοιες μελέτες πραγματοποιούνται συνήθως με τη βοήθεια υπερυπολογιστών, κατασκευασμένων με συμβατικά λογικά κυκλώματα. Ωστόσο, υπάρχει ένα όριο για τους υπολογισμούς που μπορούν να χειριστούν οι συμβατικοί υπολογιστές. Επειδή οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής περιγράφουν τη συμπεριφορά της φύσης σε υποατομικό επίπεδο, πολλοί ερευνητές πιστεύουν ότι ένας κβαντικός υπολογιστής θα πρέπει να είναι καλύτερα εξοπλισμένος για να εκτελεί μοριακούς υπολογισμούς από έναν συμβατικό υπολογιστή.

«Τα περισσότερα πράγματα σε αυτόν τον κόσμο είναι εγγενώς χημικά. Για παράδειγμα, οι ενεργειακοί μας φορείς, τόσο στη βιολογία όσο και στα παλιά ή νέα αυτοκίνητα, αποτελούνται από ηλεκτρόνια και ατομικούς πυρήνες διατεταγμένους με διαφορετικούς τρόπους σε μόρια και υλικά. Μερικά από τα προβλήματα που λύνουμε στον τομέα της κβαντικής χημείας είναι να υπολογίσουμε ποιες από αυτές τις ρυθμίσεις είναι πιο πιθανές ή συμφέρουσες, μαζί με τα χαρακτηριστικά τους», λέει ο Martin Rahm.

Υπάρχει ακόμη δρόμος να διανυθεί μέχρι οι κβαντικοί υπολογιστές να επιτύχουν αυτό που στοχεύουν οι ερευνητές. Αυτό το πεδίο έρευνας είναι ακόμα νέο και οι υπολογισμοί μικρών μοντέλων που εκτελούνται περιπλέκονται από τον θόρυβο από το περιβάλλον του κβαντικού υπολογιστή. Ωστόσο, ο Martin Rahm και οι συνεργάτες του έχουν πλέον βρει μια μέθοδο που θεωρούν σημαντικό βήμα προς τα εμπρός. Η μέθοδος ονομάζεται Μετριασμός Σφάλματος Κατάστασης Αναφοράς (REM) και λειτουργεί διορθώνοντας τα σφάλματα που προκύπτουν λόγω θορύβου χρησιμοποιώντας τους υπολογισμούς τόσο από κβαντικό όσο και από συμβατικό υπολογιστή.

«Η μελέτη είναι μια απόδειξη της ιδέας ότι η μέθοδός μας μπορεί να βελτιώσει την ποιότητα των κβαντοχημικών υπολογισμών. Είναι ένα χρήσιμο εργαλείο που θα χρησιμοποιήσουμε για να βελτιώσουμε τους υπολογισμούς μας στους κβαντικούς υπολογιστές που προχωρούν», είπε ο Rahm.

Η αρχή πίσω από τη μέθοδο είναι να εξετάσουμε πρώτα μια κατάσταση αναφοράς περιγράφοντας και λύνοντας το ίδιο πρόβλημα τόσο σε έναν συμβατικό όσο και σε έναν κβαντικό υπολογιστή. Αυτή η κατάσταση αναφοράς αντιπροσωπεύει μια απλούστερη περιγραφή ενός μορίου από το αρχικό πρόβλημα που προορίζεται να λυθεί από τον κβαντικό υπολογιστή. Ένας συμβατικός υπολογιστής μπορεί να λύσει γρήγορα αυτήν την απλούστερη έκδοση του προβλήματος. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα και από τους δύο υπολογιστές, μπορεί να γίνει μια ακριβής εκτίμηση για το μέγεθος του σφάλματος που προκαλείται από το θόρυβο. Η διαφορά μεταξύ των λύσεων των δύο υπολογιστών για το πρόβλημα αναφοράς μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για τη διόρθωση της λύσης για το αρχικό, πιο περίπλοκο, πρόβλημα όταν εκτελείται στον κβαντικό επεξεργαστή. Συνδυάζοντας αυτή τη νέα μέθοδο με δεδομένα από τον κβαντικό υπολογιστή Särimner* του Chalmers, οι ερευνητές κατάφεραν να υπολογίσουν την εγγενή ενέργεια μικρών παραδειγμάτων μορίων όπως το υδρογόνο και το υδρίδιο του λιθίου. Οι ισοδύναμοι υπολογισμοί μπορούν να πραγματοποιηθούν πιο γρήγορα σε έναν συμβατικό υπολογιστή, αλλά η νέα μέθοδος αντιπροσωπεύει μια σημαντική εξέλιξη και είναι η πρώτη επίδειξη ενός κβαντικού χημικού υπολογισμού σε έναν κβαντικό υπολογιστή στη Σουηδία.

«Βλέπουμε καλές δυνατότητες για περαιτέρω ανάπτυξη της μεθόδου που θα επιτρέψει τους υπολογισμούς μεγαλύτερων και πιο πολύπλοκων μορίων, όταν η επόμενη γενιά κβαντικών υπολογιστών είναι έτοιμη», λέει ο Martin Rahm.

Η έρευνα διεξήχθη σε στενή συνεργασία με συναδέλφους στο Τμήμα Μικροτεχνολογίας και Νανοεπιστήμης. Έχουν κατασκευάσει τους κβαντικούς υπολογιστές που χρησιμοποιούνται στη μελέτη και βοήθησαν να πραγματοποιηθούν οι ευαίσθητες μετρήσεις που απαιτούνται για τους χημικούς υπολογισμούς.

«Μόνο με τη χρήση πραγματικών κβαντικών αλγορίθμων μπορούμε να καταλάβουμε πώς λειτουργεί πραγματικά το υλικό μας και πώς μπορούμε να το βελτιώσουμε. Οι χημικοί υπολογισμοί είναι ένας από τους πρώτους τομείς όπου πιστεύουμε ότι οι κβαντικοί υπολογιστές θα είναι χρήσιμοι, επομένως η συνεργασία μας με την ομάδα του Martin Rahm είναι ιδιαίτερα πολύτιμη», λέει ο Jonas Bylander, Αναπληρωτής Καθηγητής Κβαντικής Τεχνολογίας στο Τμήμα Μικροτεχνολογίας και Νανοεπιστήμης.

Διαβάστε το άρθρο Μετριασμός σφαλμάτων κατάστασης αναφοράς: στρατηγική για κβαντικό υπολογισμό υψηλής ακρίβειας της χημείας στο Journal of Chemical Theory and Computation.
Το άρθρο γράφτηκε από τους Phalgun Lolur, Mårten Skogh, Werner Dobrautz, Christopher Warren, Janka Biznárová, Amr Osman, Giovanna Tancredi, Göran Wendin, Jonas Bylander και Martin Rahm. Οι ερευνητές δραστηριοποιούνται στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers.

Η έρευνα πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με την Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT) και το έργο της ΕΕ OpensuperQ. Το OpensuperQ συνδέει πανεπιστήμια και εταιρείες σε 10 ευρωπαϊκές χώρες με στόχο την κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή και η επέκτασή του θα συνεισφέρει περαιτέρω στη χρηματοδότηση ερευνητών στο Chalmers για την εργασία τους με τους κβαντικούς χημικούς υπολογισμούς.

*Särimner είναι το όνομα ενός κβαντικού επεξεργαστή με πέντε qubits ή κβαντικά bit, που κατασκευάστηκε από τον Chalmers στο πλαίσιο του Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT). Το όνομά του είναι δανεισμένο από τη σκανδιναβική μυθολογία, στην οποία το γουρούνι Särimner σφαγιαζόταν και έτρωγε κάθε μέρα, για να αναστηθεί.
Το Särimner έχει πλέον αντικατασταθεί από έναν μεγαλύτερο υπολογιστή με 25 qubits και ο στόχος για το WACQT είναι η κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή με 100 qubits που μπορεί να λύσει προβλήματα πολύ πέρα ​​από τη χωρητικότητα των καλύτερων συμβατικών υπερ-υπολογιστών του σήμερα.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• Minting the Future με την Adryenn Ashley. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://insidehpc.com/2023/04/swedish-researchers-use-error-mitigation-technique-to-apply-quantum-computing-to-chemistry/