Szwedzcy naukowcy wykorzystują technikę ograniczania błędów do zastosowania obliczeń kwantowych w chemii

Szwedzcy naukowcy wykorzystują technikę ograniczania błędów do zastosowania obliczeń kwantowych w chemii

Znacznik czasu: 20 kwietnia 2023 8:44
Węzeł źródłowy: 2597727

20 kwietnia 2023 r. — Naukowcy z Uniwersytetu Chalmers ogłosili, że po raz pierwszy w Szwecji komputer kwantowy został użyty do obliczeń w rzeczywistym przypadku chemicznym przy użyciu metody REM (ang. Reference-State Error Mitigation), która Naukowcy twierdzą, że działa poprzez korygowanie błędów, które występują z powodu szumu, wykorzystując obliczenia zarówno z komputera kwantowego, jak i komputera konwencjonalnego.

„Komputery kwantowe teoretycznie mogłyby być wykorzystywane do obsługi przypadków, w których elektrony i jądra atomowe poruszają się w bardziej skomplikowany sposób. Jeśli nauczymy się wykorzystywać ich pełny potencjał, powinniśmy być w stanie przesunąć granice tego, co jest możliwe do obliczenia i zrozumienia” – powiedział Martin Rahm, profesor chemii teoretycznej na Wydziale Chemii i Inżynierii Chemicznej, który kierował badanie.

W dziedzinie chemii kwantowej prawa mechaniki kwantowej są wykorzystywane do zrozumienia, jakie reakcje chemiczne są możliwe, jakie struktury i materiały można opracować oraz jakie mają one cechy. Takie badania są zwykle podejmowane przy pomocy superkomputerów, zbudowanych z konwencjonalnych układów logicznych. Istnieje jednak granica, dla której obliczenia mogą obsłużyć konwencjonalne komputery. Ponieważ prawa mechaniki kwantowej opisują zachowanie natury na poziomie subatomowym, wielu badaczy uważa, że ​​komputer kwantowy powinien być lepiej wyposażony do wykonywania obliczeń molekularnych niż konwencjonalny komputer.

„Większość rzeczy na tym świecie jest z natury chemiczna. Na przykład nasze nośniki energii, zarówno w biologii, jak iw starych lub nowych samochodach, składają się z elektronów i jąder atomowych ułożonych w różny sposób w cząsteczkach i materiałach. Niektóre z problemów, które rozwiązujemy w dziedzinie chemii kwantowej, polegają na obliczeniu, które z tych układów są bardziej prawdopodobne lub korzystne, wraz z ich charakterystyką” – mówi Martin Rahm.

Wciąż jest wiele do zrobienia, zanim komputery kwantowe osiągną to, do czego dążą naukowcy. Ta dziedzina badań jest jeszcze młoda, a prowadzone małe obliczenia modelowe są komplikowane przez szum z otoczenia komputera kwantowego. Jednak Martin Rahm i jego współpracownicy znaleźli teraz metodę, którą uważają za ważny krok naprzód. Metoda nazywa się REM (Reference-State Error Mitigation) i polega na korygowaniu błędów wynikających z szumu, wykorzystując obliczenia zarówno z komputera kwantowego, jak i komputera konwencjonalnego.

„Badanie jest dowodem słuszności koncepcji, że nasza metoda może poprawić jakość obliczeń kwantowo-chemicznych. Jest to przydatne narzędzie, którego będziemy używać do ulepszania naszych obliczeń na komputerach kwantowych w przyszłości” – powiedział Rahm.

Zasada leżąca u podstaw tej metody polega na rozważeniu stanu odniesienia poprzez opisanie i rozwiązanie tego samego problemu zarówno na komputerze konwencjonalnym, jak i kwantowym. Ten stan odniesienia reprezentuje prostszy opis cząsteczki niż pierwotny problem, który miał być rozwiązany przez komputer kwantowy. Konwencjonalny komputer może szybko rozwiązać tę prostszą wersję problemu. Porównując wyniki z obu komputerów, można dokładnie oszacować ilość błędów spowodowanych przez szum. Różnica między rozwiązaniami dwóch komputerów dla problemu referencyjnego może być następnie wykorzystana do skorygowania rozwiązania pierwotnego, bardziej złożonego problemu, gdy jest on uruchamiany na procesorze kwantowym. Łącząc tę ​​nową metodę z danymi z komputera kwantowego Särimner* firmy Chalmers, naukowcom udało się obliczyć energię wewnętrzną przykładowych małych cząsteczek, takich jak wodór i wodorek litu. Równoważne obliczenia można wykonać szybciej na konwencjonalnym komputerze, ale nowa metoda stanowi ważny postęp i jest pierwszą demonstracją obliczeń chemii kwantowej na komputerze kwantowym w Szwecji.

„Widzimy dobre możliwości dalszego rozwoju metody, aby umożliwić obliczenia większych i bardziej złożonych cząsteczek, gdy będą gotowe komputery kwantowe nowej generacji” – mówi Martin Rahm.

Badania prowadzono w ścisłej współpracy z kolegami z Katedry Mikrotechnologii i Nanonauki. Zbudowali komputery kwantowe, które są wykorzystywane w badaniu, i pomogli w przeprowadzeniu czułych pomiarów potrzebnych do obliczeń chemicznych.

„Tylko używając prawdziwych algorytmów kwantowych możemy zrozumieć, jak naprawdę działa nasz sprzęt i jak możemy go ulepszyć. Obliczenia chemiczne to jeden z pierwszych obszarów, w których wierzymy, że komputery kwantowe będą przydatne, dlatego szczególnie cenna jest nasza współpraca z grupą Martina Rahma” – mówi Jonas Bylander, profesor nadzwyczajny technologii kwantowej na Wydziale Mikrotechnologii i Nanonauki.

Przeczytaj artykuł Łagodzenie błędów stanu odniesienia: strategia dla obliczeń kwantowych o wysokiej dokładności w chemii w Journal of Chemical Theory and Computation.
Artykuł napisali: Phalgun Lolur, Mårten Skogh, Werner Dobrautz, Christopher Warren, Janka Biznárová, Amr Osman, Giovanna Tancredi, Göran Wendin, Jonas Bylander i Martin Rahm. Naukowcy są aktywni na Chalmers University of Technology.

Badania zostały przeprowadzone we współpracy z inż Centrum Technologii Kwantowej Wallenberga (WACQT) oraz projekt UE OpensuperQ. OpensuperQ łączy uniwersytety i firmy w 10 krajach europejskich w celu zbudowania komputera kwantowego, a jego rozszerzenie zapewni dalsze finansowanie naukowcom z Chalmers na ich pracę z obliczeniami chemii kwantowej.

*Särimner to nazwa procesora kwantowego z pięcioma kubitami, czyli bitami kwantowymi, zbudowanego przez firmę Chalmers w ramach Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT). Jego nazwa została zapożyczona z mitologii nordyckiej, w której świnia Särimner była zabijana i zjadana każdego dnia, tylko po to, by zmartwychwstać.
Särimner został teraz zastąpiony większym komputerem z 25 kubitami, a celem WACQT jest zbudowanie komputera kwantowego ze 100 kubitami, który może rozwiązywać problemy daleko wykraczające poza możliwości najlepszych dzisiejszych konwencjonalnych superkomputerów.

Znak czasu:

Więcej z Wewnątrz HPC