Zweedse onderzoekers gebruiken foutbeperkende techniek om kwantumcomputing toe te passen op de chemie

20 april 2023 — Onderzoekers van Chalmers University hebben aangekondigd dat voor het eerst in Zweden een kwantumcomputer is gebruikt voor berekeningen binnen een real-life case in de chemie met behulp van een methode genaamd Reference-State Error Mitigation (REM), die de onderzoekers zeggen dat het werkt door de fouten die optreden als gevolg van ruis te corrigeren door gebruik te maken van de berekeningen van zowel een kwantumcomputer als een conventionele computer.

"Kwantumcomputers zouden in theorie kunnen worden gebruikt om gevallen aan te pakken waarin elektronen en atoomkernen op meer gecompliceerde manieren bewegen. Als we kunnen leren om hun volledige potentieel te benutten, zouden we in staat moeten zijn de grenzen te verleggen van wat mogelijk is om te berekenen en te begrijpen”, zegt Martin Rahm, universitair hoofddocent Theoretische Chemie bij de afdeling Scheikunde en Chemische Technologie, die de studie.

Binnen de kwantumchemie worden de wetten van de kwantummechanica gebruikt om te begrijpen welke chemische reacties mogelijk zijn, welke structuren en materialen kunnen worden ontwikkeld en welke eigenschappen ze hebben. Dergelijke studies worden normaal gesproken uitgevoerd met behulp van supercomputers, gebouwd met conventionele logische circuits. Er is echter een grens aan de berekeningen die conventionele computers aankunnen. Omdat de wetten van de kwantummechanica het gedrag van de natuur op subatomair niveau beschrijven, menen veel onderzoekers dat een kwantumcomputer beter uitgerust zou moeten zijn om moleculaire berekeningen uit te voeren dan een conventionele computer.

“De meeste dingen in deze wereld zijn inherent chemisch. Zo zijn onze energiedragers, zowel binnen de biologie als in oude of nieuwe auto's, opgebouwd uit elektronen en atoomkernen die op verschillende manieren gerangschikt zijn in moleculen en materialen. Enkele van de problemen die we oplossen op het gebied van kwantumchemie zijn om te berekenen welke van deze arrangementen waarschijnlijker of voordeliger zijn, samen met hun kenmerken, "zegt Martin Rahm.

Er is nog een weg te gaan voordat kwantumcomputers kunnen bereiken wat de onderzoekers nastreven. Dit onderzoeksgebied is nog jong en de kleine modelberekeningen die worden uitgevoerd worden bemoeilijkt door ruis uit de omgeving van de quantumcomputer. Martin Rahm en zijn collega's hebben nu echter een methode gevonden die zij als een belangrijke stap voorwaarts zien. De methode heet Reference-State Error Mitigation (REM) en werkt door de fouten die optreden als gevolg van ruis te corrigeren door gebruik te maken van de berekeningen van zowel een kwantumcomputer als een conventionele computer.

“De studie is een proof-of-concept dat onze methode de kwaliteit van kwantumchemische berekeningen kan verbeteren. Het is een handig hulpmiddel dat we zullen gebruiken om onze berekeningen op toekomstige kwantumcomputers te verbeteren, "zei Rahm.

Het principe achter de methode is om eerst een referentietoestand te beschouwen door hetzelfde probleem op zowel een conventionele als een kwantumcomputer te beschrijven en op te lossen. Deze referentiestatus vertegenwoordigt een eenvoudigere beschrijving van een molecuul dan het oorspronkelijke probleem dat bedoeld was om door de kwantumcomputer te worden opgelost. Een conventionele computer kan deze eenvoudigere versie van het probleem snel oplossen. Door de resultaten van beide computers te vergelijken, kan een exacte schatting worden gemaakt van de hoeveelheid fouten veroorzaakt door ruis. Het verschil tussen de oplossingen van de twee computers voor het referentieprobleem kan vervolgens worden gebruikt om de oplossing voor het oorspronkelijke, complexere probleem te corrigeren wanneer het op de kwantumprocessor wordt uitgevoerd. Door deze nieuwe methode te combineren met data van Chalmers' kwantumcomputer Särimner* zijn de onderzoekers erin geslaagd om de intrinsieke energie van kleine voorbeeldmoleculen als waterstof en lithiumhydride te berekenen. Op een conventionele computer kunnen equivalente berekeningen sneller worden uitgevoerd, maar de nieuwe methode is een belangrijke ontwikkeling en is de eerste demonstratie van een kwantumchemische berekening op een kwantumcomputer in Zweden.

“We zien goede mogelijkheden voor verdere ontwikkeling van de methode om berekeningen van grotere en complexere moleculen mogelijk te maken, wanneer de volgende generatie kwantumcomputers klaar is”, zegt Martin Rahm.

Het onderzoek is uitgevoerd in nauwe samenwerking met collega's van de afdeling Microtechnologie en Nanoscience. Ze hebben de kwantumcomputers gebouwd die in het onderzoek worden gebruikt en hebben geholpen bij het uitvoeren van de gevoelige metingen die nodig zijn voor de chemische berekeningen.

“Alleen door echte kwantumalgoritmen te gebruiken, kunnen we begrijpen hoe onze hardware echt werkt en hoe we deze kunnen verbeteren. Chemische berekeningen zijn een van de eerste gebieden waarop we geloven dat kwantumcomputers nuttig zullen zijn, dus onze samenwerking met de groep van Martin Rahm is bijzonder waardevol”, zegt Jonas Bylander, universitair hoofddocent kwantumtechnologie bij de afdeling Microtechnologie en Nanowetenschappen.

Lees het artikel Reference-State Error Mitigation: een strategie voor uiterst nauwkeurige kwantumberekening van chemie in het Journal of Chemical Theory and Computation.
Het artikel is geschreven door Phalgun Lolur, Mårten Skogh, Werner Dobrautz, Christopher Warren, Janka Biznárová, Amr Osman, Giovanna Tancredi, Göran Wendin, Jonas Bylander en Martin Rahm. De onderzoekers zijn actief aan de Chalmers University of Technology.

Het onderzoek is uitgevoerd in samenwerking met de Wallenberg Centrum voor Quantum Technologie (WACQT) en het EU-project OpensuperQ. OpensuperQ verbindt universiteiten en bedrijven in 10 Europese landen met als doel een kwantumcomputer te bouwen, en de uitbreiding ervan zal bijdragen aan verdere financiering voor onderzoekers van Chalmers voor hun werk met kwantumchemische berekeningen.

*Särimner is de naam van een kwantumprocessor met vijf qubits, of kwantumbits, gebouwd door Chalmers in het kader van het Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT). De naam is ontleend aan de Noordse mythologie, waarin het varken Särimner elke dag werd geslacht en opgegeten, om vervolgens weer tot leven te komen.
Särimner is nu vervangen door een grotere computer met 25 qubits en het doel van WACQT is om een ​​kwantumcomputer met 100 qubits te bouwen die problemen kan oplossen die de capaciteit van de beste conventionele supercomputers van vandaag te boven gaat.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• De toekomst slaan met Adryenn Ashley. Toegang hier.
• Bron: https://insidehpc.com/2023/04/swedish-researchers-use-error-mitigation-technique-to-apply-quantum-computing-to-chemistry/