Svenske forskere bruker feilreduksjonsteknikk for å bruke kvanteberegning i kjemi

Svenske forskere bruker feilreduksjonsteknikk for å bruke kvanteberegning i kjemi

Tidsstempel: 20. april 2023 8:44
Kilde node: 2597727

20. april 2023 - Forskere ved Chalmers universitet har kunngjort at for første gang i Sverige har en kvantedatamaskin blitt brukt til beregninger i en virkelig sak i kjemi ved hjelp av en metode kalt Reference-State Error Mitigation (REM), som forskere sier fungerer ved å korrigere for feil som oppstår på grunn av støy ved å bruke beregningene fra både en kvantedatamaskin og en konvensjonell datamaskin.

"Kvantedatamaskiner kan i teorien brukes til å håndtere tilfeller der elektroner og atomkjerner beveger seg på mer kompliserte måter. Hvis vi kan lære å utnytte deres fulle potensial, bør vi kunne flytte grensene for hva som er mulig å beregne og forstå, sier Martin Rahm, førsteamanuensis i teoretisk kjemi ved Institutt for kjemi og kjemiteknikk, som har ledet studere.

Innenfor kvantekjemifeltet brukes kvantemekanikkens lover for å forstå hvilke kjemiske reaksjoner som er mulige, hvilke strukturer og materialer som kan utvikles, og hvilke egenskaper de har. Slike studier utføres normalt ved hjelp av superdatamaskiner, bygget med konvensjonelle logiske kretser. Det er imidlertid en grense for hvilke beregninger konvensjonelle datamaskiner kan håndtere. Fordi kvantemekanikkens lover beskriver naturens oppførsel på et subatomært nivå, mener mange forskere at en kvantedatamaskin bør være bedre rustet til å utføre molekylære beregninger enn en konvensjonell datamaskin.

"Det meste i denne verden er iboende kjemisk. For eksempel er våre energibærere, innen biologi så vel som i gamle eller nye biler, bygd opp av elektroner og atomkjerner ordnet på ulike måter i molekyler og materialer. Noen av problemene vi løser innen kvantekjemi er å beregne hvilke av disse arrangementene som er mest sannsynlige eller fordelaktige, sammen med deres egenskaper, sier Martin Rahm.

Det er fortsatt en vei å gå før kvantedatamaskiner kan oppnå det forskerne sikter mot. Dette forskningsfeltet er fortsatt ungt og de små modellberegningene som kjøres kompliseres av støy fra kvantedatamaskinens omgivelser. Nå har imidlertid Martin Rahm og kollegene funnet en metode som de ser på som et viktig skritt fremover. Metoden kalles Reference-State Error Mitigation (REM) og fungerer ved å korrigere for feil som oppstår på grunn av støy ved å utnytte beregningene fra både en kvantedatamaskin og en konvensjonell datamaskin.

– Studien er et bevis på at metoden vår kan forbedre kvaliteten på kvantekjemiske beregninger. Det er et nyttig verktøy som vi vil bruke for å forbedre beregningene våre på kvantedatamaskiner fremover, sier Rahm.

Prinsippet bak metoden er å først vurdere en referansetilstand ved å beskrive og løse det samme problemet på både en konvensjonell og en kvantedatamaskin. Denne referansetilstanden representerer en enklere beskrivelse av et molekyl enn det opprinnelige problemet som skulle løses av kvantedatamaskinen. En konvensjonell datamaskin kan løse denne enklere versjonen av problemet raskt. Ved å sammenligne resultatene fra begge datamaskinene, kan det gjøres et eksakt estimat for mengden feil forårsaket av støy. Forskjellen mellom de to datamaskinenes løsninger for referanseproblemet kan deretter brukes til å korrigere løsningen for det opprinnelige, mer komplekse problemet når det kjøres på kvanteprosessoren. Ved å kombinere denne nye metoden med data fra Chalmers' kvantedatamaskin Särimner* har forskerne lykkes med å beregne den indre energien til små eksempelmolekyler som hydrogen og litiumhydrid. Tilsvarende beregninger kan utføres raskere på en konvensjonell datamaskin, men den nye metoden representerer en viktig utvikling og er den første demonstrasjonen av en kvantekjemisk beregning på en kvantecomputer i Sverige.

– Vi ser gode muligheter for videreutvikling av metoden for å tillate beregninger av større og mer komplekse molekyler, når neste generasjon kvantedatamaskiner er klare, sier Martin Rahm.

Forskningen er utført i nært samarbeid med kolleger ved Institutt for mikroteknologi og nanovitenskap. De har bygget kvantedatamaskinene som brukes i studien, og hjulpet med å utføre de sensitive målingene som skal til for de kjemiske beregningene.

"Det er bare ved å bruke ekte kvantealgoritmer at vi kan forstå hvordan maskinvaren vår virkelig fungerer og hvordan vi kan forbedre den. Kjemiske beregninger er et av de første områdene hvor vi tror at kvantedatamaskiner vil være nyttige, så samarbeidet med Martin Rahms gruppe er spesielt verdifullt, sier Jonas Bylander, førsteamanuensis i kvanteteknologi ved Institutt for mikroteknologi og nanovitenskap.

Les artikkelen Reference-State Error Mitigation: A Strategy for High Accuracy Quantum Computing of Chemistry i Journal of Chemical Theory and Computation.
Artikkelen er skrevet av Phalgun Lolur, Mårten Skogh, Werner Dobrautz, Christopher Warren, Janka Biznárová, Amr Osman, Giovanna Tancredi, Göran Wendin, Jonas Bylander og Martin Rahm. Forskerne er aktive ved Chalmers tekniske høyskole.

Forskningen er utført i samarbeid med Wallenberg senter for kvanteteknologi (WACQT) og EU-prosjektet OpensuperQ. OpensuperQ kobler sammen universiteter og bedrifter i 10 europeiske land med mål om å bygge en kvantedatamaskin, og utvidelsen vil bidra med ytterligere finansiering til forskere ved Chalmers for deres arbeid med kvantekjemiske beregninger.

*Särimner er navnet på en kvanteprosessor med fem qubits, eller kvantebiter, bygget av Chalmers innenfor rammen av Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT). Navnet er lånt fra nordisk mytologi, der grisen Särimner ble slaktet og spist hver dag, bare for å gjenoppstå.
Särimner er nå erstattet av en større datamaskin med 25 qubits og målet for WACQT er å bygge en kvantedatamaskin med 100 qubits som kan løse problemer langt utover kapasiteten til dagens beste konvensjonelle superdatamaskiner.

Tidstempel:

Mer fra Inne i HPC