Uusi kvanttilähestymistapa monimutkaisten materiaalien elektronisten rakenteiden ratkaisemiseen

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

07. huhtikuuta 2023 (Nanowerk-uutiset) Jos tiedät atomit, jotka muodostavat tietyn molekyylin tai kiinteän materiaalin, näiden atomien väliset vuorovaikutukset voidaan määrittää laskennallisesti ratkaisemalla kvanttimekaaniset yhtälöt - ainakin jos molekyyli on pieni ja yksinkertainen. Näiden yhtälöiden ratkaiseminen, jotka ovat kriittisiä aloilla materiaalitekniikasta lääkesuunnitteluun, vaatii kuitenkin kohtuuttoman pitkän laskenta-ajan monimutkaisille molekyyleille ja materiaaleille. Nyt Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) Argonnen kansallisen laboratorion ja Chicagon yliopiston Pritzker School of Molecular Engineeringin (PME) ja kemian laitoksen tutkijat ovat tutkineet mahdollisuutta ratkaista nämä elektroniset rakenteet kvanttitietokoneella. Uusien laskennallisten lähestymistapojen yhdistelmää käyttävä tutkimus julkaistiin verkossa Journal of Chemical Theory and Computation ("Fermionisten hamiltonilaisten kvanttisimulaatiot tehokkaalla koodauksella ja Ansatz-skeemoilla"). Sitä tuki Q-NEXT, DOE:n kansallinen kvanttitietotieteen tutkimuskeskus, jota johti Argonne, ja Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM). "Tämä on jännittävä askel kohti kvanttitietokoneiden käyttöä laskennallisen kemian haastavien ongelmien ratkaisemisessa", sanoi Giulia Galli, joka johti tutkimusta Marco Govonin, Argonnen henkilökuntatutkijan ja UChicago Consortium for Advanced Science and Engineering -järjestön (CASE) jäsenen kanssa. .

monimutkaisten materiaalien elektronisen rakenteen ennustaminen kvanttitietokoneella

Professori Giulia Galli ja muut tutkijat ovat tutkineet mahdollisuutta ennustaa monimutkaisten materiaalien elektronirakennetta käyttämällä kvanttitietokonetta, mikä on edistysaskel materiaalien suunnittelusta lääkesuunnitteluun. (Kuva: Galli Group)

Laskennallinen haaste

Materiaalin elektronisen rakenteen ennustamiseen liittyy monimutkaisten yhtälöiden ratkaiseminen, jotka määrittävät elektronien vuorovaikutuksen, sekä mallintaminen, kuinka erilaiset mahdolliset rakenteet vertautuvat toisiinsa kokonaisenergiatasoissaan. Toisin kuin perinteiset tietokoneet, jotka tallentavat tietoa binääribitteinä, kvanttitietokoneet käyttävät kubitteja, jotka voivat esiintyä tilojen superpositiossa, jolloin ne voivat ratkaista tiettyjä ongelmia helpommin ja nopeammin. Laskennalliset kemistit ovat keskustelleet siitä, pystyisivätkö kvanttitietokoneet lopulta ratkaisemaan monimutkaisten materiaalien elektronisen rakenneongelman paremmin kuin perinteiset tietokoneet, ja milloin. Nykypäivän kvanttitietokoneet ovat kuitenkin edelleen suhteellisen pieniä ja tuottavat meluisaa dataa. Näistäkin heikkouksista huolimatta Galli ja hänen kollegansa ihmettelivät, voisivatko he edelleen edistyä taustalla olevien kvanttilaskentamenetelmien luomisessa, joita tarvitaan kvanttitietokoneiden elektronisten rakenneongelmien ratkaisemiseen. "Kysymys, johon todella halusimme vastata, on se, mitä on mahdollista tehdä kvanttitietokoneiden nykytilan kanssa", Govoni sanoi. "Kysyimme kysymyksen: vaikka kvanttitietokoneiden tulokset olisivat meluisia, voivatko ne silti olla hyödyllisiä ratkaisemaan mielenkiintoisia materiaalitieteen ongelmia?"

Iteratiivinen prosessi

Tutkijat suunnittelivat hybridisimulaatioprosessin käyttämällä IBM:n kvanttitietokoneita. Heidän lähestymistavassaan pieni määrä kubitteja - neljästä kuuteen - suorittaa osan laskelmista, ja tuloksia käsitellään sitten edelleen käyttämällä klassista tietokonetta. "Suunnittelimme iteratiivisen laskentaprosessin, joka hyödyntää sekä kvantti- että tavanomaisten tietokoneiden vahvuuksia", sanoi Benchen Huang, Galli-ryhmän jatko-opiskelija ja uuden artikkelin ensimmäinen kirjoittaja. Useiden iteraatioiden jälkeen simulaatioprosessi pystyi tarjoamaan oikeat elektronirakenteet useille kiintoainemateriaalien pyörimisvirheille. Lisäksi tiimi kehitti uuden virheiden lieventämismenetelmän, joka auttaa hallitsemaan kvanttitietokoneen luontaista kohinaa ja varmistamaan tulosten tarkkuuden.

Vihjeitä tulevaisuuteen

Toistaiseksi uudella kvanttilaskennallisella lähestymistavalla ratkaistut elektroniikkarakenteet voitaisiin ratkaista jo tavanomaisella tietokoneella. Siksi pitkään jatkunut keskustelu siitä, voiko kvanttitietokone olla parempi kuin klassinen elektronisten rakenneongelmien ratkaisemisessa, ei ole vielä ratkaistu. Uuden menetelmän tuottamat tulokset kuitenkin tasoittavat tietä kvanttitietokoneille käsitellä monimutkaisempia kemiallisia rakenteita. "Kun skaalaamme tämän 100 kubittiin 4 tai 6 sijasta, uskomme, että meillä voi olla etua perinteisiin tietokoneisiin verrattuna", Huang sanoi. "Mutta vain aika näyttää varmuuden." Tutkimusryhmä aikoo jatkuvasti parantaa ja skaalata lähestymistapaansa sekä käyttää sitä erityyppisten elektronisten ongelmien ratkaisemiseen, kuten molekyyleihin liuottimien läsnä ollessa sekä molekyyleihin ja materiaaleihin virittyneessä tilassa.