Ruotsalaiset tutkijat käyttävät virheiden lieventämistekniikkaa soveltaessaan kvanttilaskentaa kemiaan

20. huhtikuuta 2023 – Chalmersin yliopiston tutkijat ovat ilmoittaneet, että ensimmäistä kertaa Ruotsissa kvanttitietokonetta on käytetty laskelmiin tosielämän kemian tapauksen puitteissa käyttäen menetelmää nimeltä Reference-State Error Mitigation (REM), joka tutkijoiden mukaan se toimii korjaamalla kohinan aiheuttamia virheitä käyttämällä sekä kvanttitietokoneen että tavanomaisen tietokoneen laskelmia.

"Kvanttitietokoneita voitaisiin teoriassa käyttää käsittelemään tapauksia, joissa elektronit ja atomiytimet liikkuvat monimutkaisemmilla tavoilla. Jos voimme oppia hyödyntämään heidän täyden potentiaalinsa, meidän pitäisi pystyä edentämään laskemisen ja ymmärtämisen rajoja", sanoi Martin Rahm, teoreettisen kemian apulaisprofessori kemian ja kemiantekniikan laitokselta, joka on johtanut opiskella.

Kvanttikemian alalla kvanttimekaniikan lakeja käytetään ymmärtämään, mitkä kemialliset reaktiot ovat mahdollisia, mitä rakenteita ja materiaaleja voidaan kehittää ja mitä ominaisuuksia niillä on. Tällaiset tutkimukset suoritetaan tavallisesti supertietokoneiden avulla, jotka on rakennettu tavanomaisilla loogisilla piireillä. On kuitenkin olemassa raja, jolle perinteiset tietokoneet voivat käsitellä laskelmia. Koska kvanttimekaniikan lait kuvaavat luonnon käyttäytymistä subatomitasolla, monet tutkijat uskovat, että kvanttitietokoneen pitäisi olla paremmin varusteltu suorittamaan molekyylilaskelmia kuin perinteisellä tietokoneella.

”Useimmat asiat tässä maailmassa ovat luonnostaan ​​kemiallisia. Esimerkiksi energian kantajamme, niin biologiassa kuin vanhoissa tai uusissakin autoissa, koostuvat elektroneista ja atomiytimistä, jotka on järjestetty eri tavoin molekyyleihin ja materiaaleihin. Eräitä ongelmia, joita ratkaisemme kvanttikemian alalla, on laskea, mitkä näistä järjestelyistä ovat todennäköisempiä tai edullisimpia ominaisuuksineen”, Martin Rahm sanoo.

Vielä on matkaa ennen kuin kvanttitietokoneet voivat saavuttaa tutkijoiden tavoitteleman. Tämä tutkimusala on vielä nuori ja ajettavia pieniä mallilaskelmia vaikeuttaa kvanttitietokoneen ympäristöstä tuleva melu. Martin Rahm ja hänen kollegansa ovat kuitenkin nyt löytäneet menetelmän, jota he pitävät tärkeänä askeleena eteenpäin. Menetelmä on nimeltään Reference-State Error Mitigation (REM) ja se toimii korjaamalla kohinan aiheuttamia virheitä hyödyntäen sekä kvanttitietokoneen että tavanomaisen tietokoneen laskelmia.

”Tutkimus on todiste siitä, että menetelmämme voi parantaa kvanttikemiallisten laskelmien laatua. Se on hyödyllinen työkalu, jota käytämme kvanttitietokoneiden laskelmien parantamiseen eteenpäin, Rahm sanoi.

Menetelmän taustalla on periaate, että ensin tarkastellaan referenssitilaa kuvaamalla ja ratkaisemalla sama ongelma sekä tavanomaisessa että kvanttitietokoneessa. Tämä vertailutila edustaa yksinkertaisempaa molekyylin kuvausta kuin alkuperäinen ongelma, jonka kvanttitietokone aikoi ratkaista. Perinteinen tietokone voi ratkaista tämän yksinkertaisemman version ongelmasta nopeasti. Vertaamalla molempien tietokoneiden tuloksia voidaan tehdä tarkka arvio kohinan aiheuttaman virheen määrästä. Kahden tietokoneen vertailuongelman ratkaisujen välistä eroa voidaan sitten käyttää korjaamaan alkuperäisen, monimutkaisemman ongelman ratkaisu, kun se ajetaan kvanttiprosessorilla. Yhdistämällä tämä uusi menetelmä Chalmersin kvanttitietokoneen Särimner* tietoihin tutkijat ovat onnistuneet laskemaan pienten esimerkkimolekyylien, kuten vedyn ja litiumhydridin, ominaisenergian. Vastaavat laskelmat voidaan suorittaa nopeammin tavanomaisella tietokoneella, mutta uusi menetelmä on tärkeä kehitysaskel ja on ensimmäinen kvanttikemiallisen laskennan demonstraatio kvanttitietokoneella Ruotsissa.

"Näemme hyviä mahdollisuuksia menetelmän jatkokehittämiseen, jotta voidaan laskea suurempia ja monimutkaisempia molekyylejä, kun seuraavan sukupolven kvanttitietokoneet ovat valmiita", Martin Rahm sanoo.

Tutkimus on tehty tiiviissä yhteistyössä mikroteknologian ja nanotieteen laitoksen kollegoiden kanssa. He ovat rakentaneet tutkimuksessa käytetyt kvanttitietokoneet ja auttaneet suorittamaan herkkiä mittauksia, joita tarvitaan kemiallisiin laskelmiin.

"Ainoastaan ​​oikeita kvanttialgoritmeja käyttämällä voimme ymmärtää, kuinka laitteistomme todella toimii ja kuinka voimme parantaa sitä. Kemialliset laskelmat ovat yksi ensimmäisistä alueista, joilla uskomme kvanttitietokoneiden olevan hyödyllisiä, joten yhteistyömme Martin Rahmin ryhmän kanssa on erityisen arvokasta”, sanoo Jonas Bylander, mikroteknologian ja nanotieteen laitoksen kvanttiteknologian apulaisprofessori.

Lue artikkeli Viitetilan virheiden lieventäminen: strategia korkean tarkkuuden kemian kvanttilaskentaan Journal of Chemical Theory and Computation -lehdessä.
Artikkelin ovat kirjoittaneet Phalgun Lolur, Mårten Skogh, Werner Dobrautz, Christopher Warren, Janka Biznárová, Amr Osman, Giovanna Tancredi, Göran Wendin, Jonas Bylander ja Martin Rahm. Tutkijat toimivat aktiivisesti Chalmersin teknillisessä yliopistossa.

Tutkimus on tehty yhteistyössä mm Wallenbergin kvanttiteknologiakeskus (WACQT) ja EU-projekti OpensuperQ. OpensuperQ yhdistää yliopistot ja yritykset 10:ssä Euroopan maassa tavoitteenaan rakentaa kvanttitietokone, ja sen laajennus tukee Chalmersin tutkijoille lisärahoitusta kvanttikemiallisten laskelmien parissa.

*Särimner on viiden kubitin eli kvanttibitin kvanttiprosessorin nimi, jonka Chalmers on rakentanut Wallenbergin kvanttiteknologiakeskuksen (WACQT) puitteissa. Sen nimi on lainattu pohjoismaisesta mytologiasta, jossa sika Särimner teurastettiin ja syötiin joka päivä, jotta se herätettiin kuolleista.
Särimner on nyt korvattu suuremmalla tietokoneella, jossa on 25 kubittia, ja WACQT:n tavoitteena on rakentaa 100 kubitin kvanttitietokone, joka pystyy ratkaisemaan ongelmia, jotka ylittävät nykypäivän parhaiden tavanomaisten supertietokoneiden kapasiteetin.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Tulevaisuuden lyöminen Adryenn Ashley. Pääsy tästä.
• Lähde: https://insidehpc.com/2023/04/swedish-researchers-use-error-mitigation-technique-to-apply-quantum-computing-to-chemistry/