Investigadores suecos utilizan una técnica de mitigación de errores para aplicar la computación cuántica a la química

20 de abril de 2023: Investigadores de la Universidad de Chalmers anunciaron que, por primera vez en Suecia, se utilizó una computadora cuántica para realizar cálculos en un caso real de química mediante un método denominado Mitigación de errores de estado de referencia (REM), que el Los investigadores dicen que funciona al corregir los errores que ocurren debido al ruido utilizando los cálculos de una computadora cuántica y una computadora convencional.

“En teoría, las computadoras cuánticas podrían usarse para manejar casos en los que los electrones y los núcleos atómicos se mueven de formas más complicadas. Si podemos aprender a utilizar todo su potencial, deberíamos poder avanzar en los límites de lo que es posible calcular y comprender”, dijo Martin Rahm, profesor asociado de Química Teórica en el Departamento de Química e Ingeniería Química, quien dirigió el estudiar.

Dentro del campo de la química cuántica, las leyes de la mecánica cuántica se utilizan para comprender qué reacciones químicas son posibles, qué estructuras y materiales se pueden desarrollar y qué características tienen. Dichos estudios normalmente se llevan a cabo con la ayuda de supercomputadoras, construidas con circuitos lógicos convencionales. Sin embargo, existe un límite para los cálculos que pueden manejar las computadoras convencionales. Debido a que las leyes de la mecánica cuántica describen el comportamiento de la naturaleza a nivel subatómico, muchos investigadores creen que una computadora cuántica debería estar mejor equipada para realizar cálculos moleculares que una computadora convencional.

“La mayoría de las cosas en este mundo son inherentemente químicas. Por ejemplo, nuestros portadores de energía, tanto en la biología como en los automóviles antiguos o nuevos, están formados por electrones y núcleos atómicos dispuestos de diferentes maneras en moléculas y materiales. Algunos de los problemas que resolvemos en el campo de la química cuántica son calcular cuáles de estos arreglos son más probables o ventajosos, junto con sus características”, dice Martin Rahm.

Todavía queda un camino por recorrer antes de que las computadoras cuánticas puedan lograr lo que buscan los investigadores. Este campo de investigación aún es joven y los cálculos de modelos pequeños que se ejecutan se complican por el ruido del entorno de la computadora cuántica. Sin embargo, Martin Rahm y sus colegas ahora han encontrado un método que ven como un importante paso adelante. El método se llama Mitigación de errores de estado de referencia (REM) y funciona al corregir los errores que ocurren debido al ruido utilizando los cálculos de una computadora cuántica y una computadora convencional.

“El estudio es una prueba de concepto de que nuestro método puede mejorar la calidad de los cálculos de química cuántica. Es una herramienta útil que utilizaremos para mejorar nuestros cálculos en computadoras cuánticas en el futuro”, dijo Rahm.

El principio detrás del método es considerar primero un estado de referencia describiendo y resolviendo el mismo problema tanto en una computadora convencional como en una cuántica. Este estado de referencia representa una descripción más simple de una molécula que el problema original que la computadora cuántica pretendía resolver. Una computadora convencional puede resolver rápidamente esta versión más simple del problema. Al comparar los resultados de ambas computadoras, se puede hacer una estimación exacta de la cantidad de error causado por el ruido. La diferencia entre las soluciones de las dos computadoras para el problema de referencia se puede usar para corregir la solución del problema original, más complejo, cuando se ejecuta en el procesador cuántico. Combinando este nuevo método con datos del ordenador cuántico Särimner* de Chalmers, los investigadores han logrado calcular la energía intrínseca de pequeñas moléculas de ejemplo como el hidrógeno y el hidruro de litio. Los cálculos equivalentes se pueden realizar más rápidamente en una computadora convencional, pero el nuevo método representa un avance importante y es la primera demostración de un cálculo químico cuántico en una computadora cuántica en Suecia.

“Vemos buenas posibilidades para un mayor desarrollo del método que permita cálculos de moléculas más grandes y más complejas, cuando la próxima generación de computadoras cuánticas esté lista”, dice Martin Rahm.

La investigación se ha realizado en estrecha colaboración con colegas del Departamento de Microtecnología y Nanociencia. Construyeron las computadoras cuánticas que se utilizan en el estudio y ayudaron a realizar las mediciones sensibles que se necesitan para los cálculos químicos.

“Solo mediante el uso de algoritmos cuánticos reales podemos entender cómo funciona realmente nuestro hardware y cómo podemos mejorarlo. Los cálculos químicos son una de las primeras áreas en las que creemos que las computadoras cuánticas serán útiles, por lo que nuestra colaboración con el grupo de Martin Rahm es especialmente valiosa”, dice Jonas Bylander, profesor asociado de Tecnología Cuántica en el Departamento de Microtecnología y Nanociencia.

Leer el artículo Mitigación de errores de estado de referencia: una estrategia para la computación cuántica de química de alta precisión en el Diario de Teoría Química y Computación.
El artículo está escrito por Phalgun Lolur, Mårten Skogh, Werner Dobrautz, Christopher Warren, Janka Biznárová, Amr Osman, Giovanna Tancredi, Göran Wendin, Jonas Bylander y Martin Rahm. Los investigadores están activos en la Universidad Tecnológica de Chalmers.

La investigación se ha realizado en colaboración con el Centro Wallenberg de Tecnología Cuántica (WACQT) y el proyecto europeo OpensuperQ. OpensuperQ conecta universidades y empresas en 10 países europeos con el objetivo de construir una computadora cuántica, y su extensión contribuirá con más fondos a los investigadores de Chalmers para su trabajo con cálculos químicos cuánticos.

*Särimner es el nombre de un procesador cuántico de cinco qubits, o bits cuánticos, construido por Chalmers en el marco del Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT). Su nombre está tomado de la mitología nórdica, en la que el cerdo Särimner era sacrificado y comido todos los días, solo para resucitar.
Särimner ahora ha sido reemplazado por una computadora más grande con 25 qubits y el objetivo de WACQT es construir una computadora cuántica con 100 qubits que pueda resolver problemas mucho más allá de la capacidad de las mejores supercomputadoras convencionales de la actualidad.

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• Fuente: https://insidehpc.com/2023/04/swedish-researchers-use-error-mitigation-technique-to-apply-quantum-computing-to-chemistry/