A New Quantum Approach To Solve Electronic Structures Of Complex Materials

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अप्रैल 07, 2023 (नानावरक न्यूज़) यदि आप उन परमाणुओं को जानते हैं जो किसी विशेष अणु या ठोस पदार्थ का निर्माण करते हैं, तो क्वांटम यांत्रिक समीकरणों को हल करके, उन परमाणुओं के बीच की बातचीत को कम्प्यूटेशनल रूप से निर्धारित किया जा सकता है - कम से कम, यदि अणु छोटा और सरल है। हालाँकि, सामग्री इंजीनियरिंग से लेकर दवा डिजाइन तक के क्षेत्रों के लिए महत्वपूर्ण इन समीकरणों को हल करने के लिए जटिल अणुओं और सामग्रियों के लिए अत्यधिक लंबे कम्प्यूटेशनल समय की आवश्यकता होती है। अब, अमेरिकी ऊर्जा विभाग (डीओई) आर्गोन नेशनल लेबोरेटरी और शिकागो विश्वविद्यालय के प्रित्जकर स्कूल ऑफ मॉलिक्यूलर इंजीनियरिंग (पीएमई) और रसायन विज्ञान विभाग के शोधकर्ताओं ने क्वांटम कंप्यूटर का उपयोग करके इन इलेक्ट्रॉनिक संरचनाओं को हल करने की संभावना का पता लगाया है। शोध, जो नए कम्प्यूटेशनल दृष्टिकोणों के संयोजन का उपयोग करता है, ऑनलाइन प्रकाशित किया गया था जर्नल ऑफ़ केमिकल थ्योरी एंड कंप्यूटेशन ("कुशल एन्कोडिंग और एन्सैट्ज़ योजनाओं के साथ फर्मिओनिक हैमिल्टनियन का क्वांटम सिमुलेशन"). इसे आर्गोन के नेतृत्व वाले डीओई राष्ट्रीय क्वांटम सूचना विज्ञान अनुसंधान केंद्र क्यू-नेक्स्ट और मिडवेस्ट इंटीग्रेटेड सेंटर फॉर कम्प्यूटेशनल मैटेरियल्स (एमआईसीसीओएम) द्वारा समर्थित किया गया था। "कम्प्यूटेशनल रसायन विज्ञान में चुनौतीपूर्ण समस्याओं से निपटने के लिए क्वांटम कंप्यूटर का उपयोग करने की दिशा में यह एक रोमांचक कदम है," गिउलिया गैली ने कहा, जिन्होंने आर्गोन के एक स्टाफ वैज्ञानिक और यूशिकागो कंसोर्टियम फॉर एडवांस्ड साइंस एंड इंजीनियरिंग (CASE) के सदस्य मार्को गोवोनी के साथ शोध का नेतृत्व किया। .

क्वांटम कंप्यूटर का उपयोग करके जटिल सामग्रियों की इलेक्ट्रॉनिक संरचना की भविष्यवाणी करना

प्रोफेसर गिउलिया गैली और साथी शोधकर्ताओं ने क्वांटम कंप्यूटर का उपयोग करके जटिल सामग्रियों की इलेक्ट्रॉनिक संरचना की भविष्यवाणी करने की संभावना का पता लगाया है, जो सामग्री इंजीनियरिंग से लेकर दवा डिजाइन तक के क्षेत्र में प्रगति है। (छवि गैली ग्रुप के सौजन्य से)

एक कम्प्यूटेशनल चुनौती

किसी सामग्री की इलेक्ट्रॉनिक संरचना की भविष्यवाणी करने में जटिल समीकरणों को हल करना शामिल है जो यह निर्धारित करते हैं कि इलेक्ट्रॉन कैसे बातचीत करते हैं, साथ ही यह मॉडलिंग भी करते हैं कि विभिन्न संभावित संरचनाएं अपने समग्र ऊर्जा स्तरों में एक दूसरे से तुलना कैसे करती हैं। बाइनरी बिट्स में जानकारी संग्रहीत करने वाले पारंपरिक कंप्यूटरों के विपरीत, क्वांटम कंप्यूटर क्वैबिट का उपयोग करते हैं जो राज्यों के सुपरपोजिशन में मौजूद हो सकते हैं, जिससे उन्हें कुछ समस्याओं को अधिक आसानी से और तेज़ी से हल करने में मदद मिलती है। कम्प्यूटेशनल रसायनज्ञों ने इस बात पर बहस की है कि क्या और कब क्वांटम कंप्यूटर पारंपरिक कंप्यूटरों की तुलना में जटिल सामग्रियों की इलेक्ट्रॉनिक संरचना की समस्या से बेहतर तरीके से निपटने में सक्षम हो सकते हैं। हालाँकि, आज के क्वांटम कंप्यूटर अपेक्षाकृत छोटे हैं और शोर वाले डेटा का उत्पादन करते हैं। इन कमजोरियों के बावजूद, गैली और उनके सहयोगियों को आश्चर्य हुआ कि क्या वे अभी भी क्वांटम कंप्यूटर पर इलेक्ट्रॉनिक संरचना समस्याओं को हल करने के लिए आवश्यक अंतर्निहित क्वांटम कम्प्यूटेशनल तरीकों को बनाने में प्रगति कर सकते हैं। गोवोनी ने कहा, "हम वास्तव में जिस प्रश्न का समाधान करना चाहते थे वह यह है कि क्वांटम कंप्यूटर की वर्तमान स्थिति के साथ क्या करना संभव है।" "हमने सवाल पूछा: भले ही क्वांटम कंप्यूटर के परिणाम शोर वाले हों, क्या वे सामग्री विज्ञान में दिलचस्प समस्याओं को हल करने के लिए अभी भी उपयोगी हो सकते हैं?"

एक पुनरावर्ती प्रक्रिया

शोधकर्ताओं ने आईबीएम क्वांटम कंप्यूटर का उपयोग करके एक हाइब्रिड सिमुलेशन प्रक्रिया डिजाइन की। उनके दृष्टिकोण में, छोटी संख्या में क्वैबिट - चार और छह के बीच - गणना का हिस्सा होते हैं, और फिर परिणामों को एक शास्त्रीय कंप्यूटर का उपयोग करके आगे संसाधित किया जाता है। गैली ग्रुप के स्नातक छात्र और नए पेपर के पहले लेखक बेनचेन हुआंग ने कहा, "हमने एक पुनरावृत्त कम्प्यूटेशनल प्रक्रिया तैयार की है जो क्वांटम और पारंपरिक कंप्यूटर दोनों की ताकत का लाभ उठाती है।" कई पुनरावृत्तियों के बाद, सिमुलेशन प्रक्रिया ठोस-अवस्था सामग्री में कई स्पिन दोषों की सही इलेक्ट्रॉनिक संरचनाएं प्रदान करने में सक्षम थी। इसके अलावा, टीम ने क्वांटम कंप्यूटर द्वारा उत्पन्न अंतर्निहित शोर को नियंत्रित करने और परिणामों की सटीकता सुनिश्चित करने में मदद के लिए एक नया त्रुटि शमन दृष्टिकोण विकसित किया।

भविष्य के संकेत

अभी के लिए, नए क्वांटम कम्प्यूटेशनल दृष्टिकोण का उपयोग करके हल की गई इलेक्ट्रॉनिक संरचनाओं को पहले से ही एक पारंपरिक कंप्यूटर का उपयोग करके हल किया जा सकता है। इसलिए, इलेक्ट्रॉनिक संरचना की समस्याओं को हल करने में क्वांटम कंप्यूटर शास्त्रीय कंप्यूटर से बेहतर हो सकता है या नहीं, इस पर लंबे समय से चली आ रही बहस अभी तक सुलझी नहीं है। हालाँकि, नई विधि द्वारा प्रदान किए गए परिणाम क्वांटम कंप्यूटरों के लिए अधिक जटिल रासायनिक संरचनाओं को संबोधित करने का मार्ग प्रशस्त करते हैं। हुआंग ने कहा, "जब हम इसे 100 या 4 के बजाय 6 क्यूबिट तक बढ़ाते हैं, तो हमें लगता है कि हमें पारंपरिक कंप्यूटरों पर फायदा हो सकता है।" "लेकिन केवल समय ही निश्चित रूप से बताएगा।" अनुसंधान समूह ने अपने दृष्टिकोण में सुधार और विस्तार जारी रखने की योजना बनाई है, साथ ही इसका उपयोग विभिन्न प्रकार की इलेक्ट्रॉनिक समस्याओं, जैसे सॉल्वैंट्स की उपस्थिति में अणुओं, और उत्तेजित अवस्था में अणुओं और सामग्रियों को हल करने के लिए किया है।