I ricercatori svedesi utilizzano la tecnica di mitigazione degli errori per applicare il calcolo quantistico alla chimica

I ricercatori svedesi utilizzano la tecnica di mitigazione degli errori per applicare il calcolo quantistico alla chimica

Timestamp: 20 aprile 2023 8:44
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20 aprile 2023 — I ricercatori della Chalmers University hanno annunciato che per la prima volta in Svezia, un computer quantistico è stato utilizzato per calcoli all'interno di un caso di vita reale in chimica utilizzando un metodo chiamato REM (Reference-State Error Mitigation), che il i ricercatori affermano che funziona correggendo gli errori che si verificano a causa del rumore utilizzando i calcoli sia di un computer quantistico che di un computer convenzionale.

“I computer quantistici potrebbero in teoria essere usati per gestire casi in cui elettroni e nuclei atomici si muovono in modi più complicati. Se riusciamo a imparare a utilizzare il loro pieno potenziale, dovremmo essere in grado di avanzare i confini di ciò che è possibile calcolare e comprendere ", ha affermato Martin Rahm, Professore Associato di Chimica Teorica presso il Dipartimento di Chimica e Ingegneria Chimica, che ha guidato il studio.

Nel campo della chimica quantistica, le leggi della meccanica quantistica vengono utilizzate per capire quali reazioni chimiche sono possibili, quali strutture e materiali possono essere sviluppati e quali caratteristiche hanno. Tali studi sono normalmente intrapresi con l'ausilio di super computer, costruiti con circuiti logici convenzionali. Esiste tuttavia un limite per il quale i computer convenzionali possono gestire i calcoli. Poiché le leggi della meccanica quantistica descrivono il comportamento della natura a livello subatomico, molti ricercatori ritengono che un computer quantistico dovrebbe essere meglio equipaggiato per eseguire calcoli molecolari rispetto a un computer convenzionale.

“La maggior parte delle cose in questo mondo sono intrinsecamente chimiche. Ad esempio, i nostri vettori energetici, all'interno della biologia così come nelle auto vecchie o nuove, sono costituiti da elettroni e nuclei atomici disposti in modi diversi in molecole e materiali. Alcuni dei problemi che risolviamo nel campo della chimica quantistica consistono nel calcolare quale di queste disposizioni sia più probabile o vantaggiosa, insieme alle loro caratteristiche", afferma Martin Rahm.

C'è ancora molta strada da fare prima che i computer quantistici possano raggiungere ciò a cui mirano i ricercatori. Questo campo di ricerca è ancora giovane e i piccoli calcoli del modello che vengono eseguiti sono complicati dal rumore proveniente dall'ambiente circostante il computer quantistico. Tuttavia, Martin Rahm ei suoi colleghi hanno ora trovato un metodo che considerano un importante passo avanti. Il metodo si chiama Reference-State Error Mitigation (REM) e funziona correggendo gli errori che si verificano a causa del rumore utilizzando i calcoli sia di un computer quantistico che di un computer convenzionale.

“Lo studio è una prova del fatto che il nostro metodo può migliorare la qualità dei calcoli di chimica quantistica. È uno strumento utile che useremo per migliorare i nostri calcoli sui computer quantistici andando avanti", ha affermato Rahm.

Il principio alla base del metodo è considerare prima uno stato di riferimento descrivendo e risolvendo lo stesso problema su un computer convenzionale e quantistico. Questo stato di riferimento rappresenta una descrizione più semplice di una molecola rispetto al problema originale destinato a essere risolto dal computer quantistico. Un computer convenzionale può risolvere rapidamente questa versione più semplice del problema. Confrontando i risultati di entrambi i computer, è possibile effettuare una stima esatta dell'entità dell'errore causato dal rumore. La differenza tra le soluzioni dei due computer per il problema di riferimento può quindi essere utilizzata per correggere la soluzione per il problema originale, più complesso, quando viene eseguito sul processore quantistico. Combinando questo nuovo metodo con i dati del computer quantistico Särimner* di Chalmers, i ricercatori sono riusciti a calcolare l'energia intrinseca di piccole molecole di esempio come l'idrogeno e l'idruro di litio. Calcoli equivalenti possono essere eseguiti più rapidamente su un computer convenzionale, ma il nuovo metodo rappresenta uno sviluppo importante ed è la prima dimostrazione di un calcolo chimico quantistico su un computer quantistico in Svezia.

"Vediamo buone possibilità per un ulteriore sviluppo del metodo per consentire calcoli di molecole più grandi e più complesse, quando la prossima generazione di computer quantistici sarà pronta", afferma Martin Rahm.

La ricerca è stata condotta in stretta collaborazione con i colleghi del Dipartimento di Microtecnologie e Nanoscienze. Hanno costruito i computer quantistici utilizzati nello studio e hanno contribuito a eseguire le misurazioni sensibili necessarie per i calcoli chimici.

“È solo utilizzando algoritmi quantistici reali che possiamo capire come funziona davvero il nostro hardware e come possiamo migliorarlo. I calcoli chimici sono una delle prime aree in cui crediamo che i computer quantistici saranno utili, quindi la nostra collaborazione con il gruppo di Martin Rahm è particolarmente preziosa", afferma Jonas Bylander, professore associato di tecnologia quantistica presso il Dipartimento di microtecnologia e nanoscienze.

Leggi l'articolo Mitigazione dell'errore dello stato di riferimento: una strategia per il calcolo quantistico ad alta precisione della chimica nel Journal of Chemical Theory and Computation.
L'articolo è stato scritto da Phalgun Lolur, Mårten Skogh, Werner Dobrautz, Christopher Warren, Janka Biznárová, Amr Osman, Giovanna Tancredi, Göran Wendin, Jonas Bylander e Martin Rahm. I ricercatori sono attivi presso la Chalmers University of Technology.

La ricerca è stata condotta in collaborazione con il Centro Wallenberg per la tecnologia quantistica (WACQT) e il progetto UE OpensuperQ. OpensuperQ collega università e aziende in 10 paesi europei con l'obiettivo di costruire un computer quantistico e la sua estensione contribuirà a finanziare ulteriormente i ricercatori di Chalmers per il loro lavoro con i calcoli di chimica quantistica.

*Särimner è il nome di un processore quantistico con cinque qubit, o bit quantistici, costruito da Chalmers nell'ambito del Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT). Il suo nome è preso in prestito dalla mitologia nordica, in cui il maiale Särimner veniva macellato e mangiato ogni giorno, solo per essere resuscitato.
Särimner è stato ora sostituito da un computer più grande con 25 qubit e l'obiettivo di WACQT è costruire un computer quantistico con 100 qubit in grado di risolvere problemi ben oltre la capacità dei migliori supercomputer convenzionali di oggi.

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