חוקרים שוודים משתמשים בטכניקה למניעת שגיאות כדי ליישם מחשוב קוונטי בכימיה

20 באפריל 2023 - חוקרים מאוניברסיטת צ'אלמרס הודיעו כי לראשונה בשוודיה נעשה שימוש במחשב קוונטי לחישובים בתוך מקרה אמיתי בכימיה באמצעות שיטה הנקראת Reference-State Error Mitigation (REM), אשר חוקרים אומרים שעובד על ידי תיקון שגיאות המתרחשות עקב רעש על ידי שימוש בחישובים ממחשב קוונטי וממחשב רגיל.

"מחשבים קוונטיים יכולים לשמש בתיאוריה לטיפול במקרים שבהם אלקטרונים וגרעיני אטום נעים בדרכים מסובכות יותר. אם נוכל ללמוד לנצל את מלוא הפוטנציאל שלהם, אנחנו צריכים להיות מסוגלים לקדם את הגבולות של מה שאפשר לחשב ולהבין", אמר מרטין רם, פרופסור חבר לכימיה תיאורטית במחלקה לכימיה והנדסה כימית, שהוביל את לימוד.

בתחום הכימיה הקוונטית משתמשים בחוקי מכניקת הקוונטים כדי להבין אילו תגובות כימיות אפשריות, אילו מבנים וחומרים ניתן לפתח, ואילו מאפיינים יש להם. מחקרים כאלה מבוצעים בדרך כלל בעזרת מחשבי על, הבנויים עם מעגלים לוגיים קונבנציונליים. עם זאת, יש גבול עבור החישובים שמחשבים רגילים יכולים להתמודד. מכיוון שחוקי מכניקת הקוונטים מתארים את התנהגות הטבע ברמה התת-אטומית, חוקרים רבים מאמינים שמחשב קוונטי צריך להיות מצויד יותר לביצוע חישובים מולקולריים מאשר מחשב רגיל.

"רוב הדברים בעולם הזה הם כימיים מטבעם. למשל, נושאי האנרגיה שלנו, בתוך הביולוגיה כמו גם במכוניות ישנות או חדשות, מורכבים מאלקטרונים וגרעיני אטום המסודרים בדרכים שונות במולקולות ובחומרים. חלק מהבעיות שאנו פותרים בתחום הכימיה הקוונטית הן לחשב איזה מהסדרים הללו סביר או יתרון יותר, יחד עם המאפיינים שלהם", אומר מרטין רם.

יש עוד דרך לעבור עד שמחשבים קוונטיים יוכלו להשיג את מה שהחוקרים מכוונים אליו. תחום המחקר הזה עדיין צעיר וחישובי המודלים הקטנים שמתנהלים מסובכים בגלל רעש מסביבת המחשב הקוונטי. עם זאת, מרטין רם ועמיתיו מצאו כעת שיטה שלדעתם היא צעד חשוב קדימה. השיטה נקראת Reference-State Error Mitigation (REM) ופועלת על ידי תיקון השגיאות המתרחשות עקב רעש על ידי ניצול החישובים הן ממחשב קוונטי והן ממחשב רגיל.

"המחקר הוא הוכחה לכך שהשיטה שלנו יכולה לשפר את איכות החישובים הקוונטיים-כימיים. זהו כלי שימושי שבו נשתמש כדי לשפר את החישובים שלנו על מחשבים קוונטיים שמתקדמים קדימה", אמר Rahm.

העיקרון מאחורי השיטה הוא לשקול תחילה מצב התייחסות על ידי תיאור ופתרון אותה בעיה במחשב רגיל וגם במחשב קוונטי. מצב התייחסות זה מייצג תיאור פשוט יותר של מולקולה מאשר הבעיה המקורית שנועדה להיפתר על ידי המחשב הקוונטי. מחשב רגיל יכול לפתור את הגרסה הפשוטה הזו של הבעיה במהירות. על ידי השוואת התוצאות משני המחשבים, ניתן לבצע אומדן מדויק לכמות השגיאה הנגרמת מרעש. ניתן להשתמש בהבדל בין הפתרונות של שני המחשבים לבעיית הייחוס כדי לתקן את הפתרון לבעיה המקורית, המורכבת יותר, כאשר היא מופעלת על המעבד הקוונטי. על ידי שילוב שיטה חדשה זו עם נתונים ממחשב הקוונטי Särimner* של Chalmers החוקרים הצליחו לחשב את האנרגיה הפנימית של מולקולות קטנות לדוגמה כגון מימן וליתיום הידריד. ניתן לבצע חישובים מקבילים מהר יותר במחשב רגיל, אך השיטה החדשה מייצגת התפתחות חשובה והיא ההדגמה הראשונה של חישוב כימי קוונטי במחשב קוונטי בשוודיה.

"אנו רואים אפשרויות טובות להמשך פיתוח השיטה כדי לאפשר חישובים של מולקולות גדולות ומורכבות יותר, כאשר הדור הבא של מחשבים קוונטיים יהיה מוכן", אומר מרטין רם.

המחקר נערך בשיתוף פעולה הדוק עם עמיתים במחלקה למיקרוטכנולוגיה וננו-מדעים. הם בנו את המחשבים הקוונטיים המשמשים במחקר, ועזרו לבצע את המדידות הרגישות הדרושות לחישובים הכימיים.

"רק על ידי שימוש באלגוריתמים קוונטיים אמיתיים אנו יכולים להבין כיצד החומרה שלנו באמת עובדת וכיצד אנו יכולים לשפר אותה. חישובים כימיים הם אחד התחומים הראשונים שבהם אנו מאמינים שמחשבים קוונטיים יהיו שימושיים, ולכן שיתוף הפעולה שלנו עם הקבוצה של מרטין רם הוא בעל ערך במיוחד", אומר ג'ונאס ביילנדר, פרופסור חבר לטכנולוגיה קוונטית במחלקה למיקרוטכנולוגיה וננו-מדעים.

קראו את המאמר הפחתת שגיאות מצב התייחסות: אסטרטגיה לחישוב קוונטי ברמת דיוק גבוהה של כימיה ב-Journal of Chemical Theory and Computation.
המאמר נכתב על ידי Phalgun Lolur, Mårten Skogh, Werner Dobrautz, Christopher Warren, Janka Biznárova, Amr Osman, Giovanna Tancredi, Göran Wendin, Jonas Bylander, ומרטין Rahm. החוקרים פעילים באוניברסיטת צ'למרס לטכנולוגיה.

המחקר נערך בשיתוף פעולה עם מרכז ולנברג לטכנולוגיה קוונטית (WACQT) ופרויקט האיחוד האירופי OpensuperQ. OpensuperQ מחברת בין אוניברסיטאות וחברות ב-10 מדינות באירופה במטרה לבנות מחשב קוונטי, והרחבתו תתרום מימון נוסף לחוקרים בצ'אלמרס על עבודתם עם חישובים כימיים קוונטיים.

*Särimner הוא שמו של מעבד קוונטי בעל חמישה קיוביטים, או ביטים קוונטיים, שנבנה על ידי Chalmers במסגרת מרכז ולנברג לטכנולוגיה קוונטית (WACQT). שמו שאול מהמיתולוגיה הנורדית, שבה נשחט החזיר סרימנר ונאכל מדי יום, רק כדי לקום לתחייה.
Särimner הוחלף כעת במחשב גדול יותר עם 25 קיוביטים והמטרה של WACQT היא לבנות מחשב קוונטי עם 100 קיוביטים שיכול לפתור בעיות הרבה מעבר לקיבולת של מחשבי העל הקונבנציונליים הטובים ביותר של ימינו.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• הטבעת העתיד עם אדריאן אשלי. גישה כאן.
• מקור: https://insidehpc.com/2023/04/swedish-researchers-use-error-mitigation-technique-to-apply-quantum-computing-to-chemistry/