Pesquisadores suecos usam técnica de mitigação de erros para aplicar computação quântica à química

20 de abril de 2023 - Pesquisadores da Chalmers University anunciaram que, pela primeira vez na Suécia, um computador quântico foi usado para cálculos dentro de um caso da vida real em química usando um método chamado Mitigação de erro de estado de referência (REM), que o os pesquisadores dizem que funciona corrigindo os erros que ocorrem devido ao ruído, utilizando os cálculos de um computador quântico e de um computador convencional.

“Computadores quânticos poderiam, em teoria, ser usados ​​para lidar com casos em que elétrons e núcleos atômicos se movem de maneiras mais complicadas. Se pudermos aprender a utilizar todo o seu potencial, poderemos avançar os limites do que é possível calcular e entender”, disse Martin Rahm, professor associado de química teórica do Departamento de Química e Engenharia Química, que liderou o estudar.

Dentro do campo da química quântica, as leis da mecânica quântica são usadas para entender quais reações químicas são possíveis, quais estruturas e materiais podem ser desenvolvidos e quais características eles possuem. Tais estudos são normalmente realizados com o auxílio de supercomputadores, construídos com circuitos lógicos convencionais. No entanto, há um limite para o qual os computadores convencionais podem lidar com cálculos. Como as leis da mecânica quântica descrevem o comportamento da natureza em um nível subatômico, muitos pesquisadores acreditam que um computador quântico deveria estar melhor equipado para realizar cálculos moleculares do que um computador convencional.

“A maioria das coisas neste mundo são inerentemente químicas. Por exemplo, nossos portadores de energia, tanto na biologia quanto em carros antigos ou novos, são compostos de elétrons e núcleos atômicos dispostos de maneiras diferentes em moléculas e materiais. Alguns dos problemas que resolvemos no campo da química quântica são para calcular quais desses arranjos são mais prováveis ​​ou vantajosos, juntamente com suas características”, diz Martin Rahm.

Ainda há um caminho a percorrer antes que os computadores quânticos possam alcançar o que os pesquisadores desejam. Este campo de pesquisa ainda é jovem e os cálculos de pequenos modelos executados são complicados pelo ruído do ambiente do computador quântico. No entanto, Martin Rahm e seus colegas agora encontraram um método que consideram um importante passo à frente. O método é chamado de Mitigação de Erros de Estado de Referência (REM) e funciona corrigindo os erros que ocorrem devido ao ruído, utilizando os cálculos de um computador quântico e de um computador convencional.

“O estudo é uma prova de conceito de que nosso método pode melhorar a qualidade dos cálculos de química quântica. É uma ferramenta útil que usaremos para melhorar nossos cálculos em computadores quânticos daqui para frente”, disse Rahm.

O princípio por trás do método é primeiro considerar um estado de referência descrevendo e resolvendo o mesmo problema tanto em um computador convencional quanto em um computador quântico. Esse estado de referência representa uma descrição mais simples de uma molécula do que o problema original a ser resolvido pelo computador quântico. Um computador convencional pode resolver essa versão mais simples do problema rapidamente. Comparando os resultados de ambos os computadores, uma estimativa exata pode ser feita para a quantidade de erro causada pelo ruído. A diferença entre as soluções dos dois computadores para o problema de referência pode então ser usada para corrigir a solução para o problema original, mais complexo, quando executado no processador quântico. Ao combinar este novo método com dados do computador quântico de Chalmers, Särimner*, os pesquisadores conseguiram calcular a energia intrínseca de pequenas moléculas de exemplo, como hidrogênio e hidreto de lítio. Cálculos equivalentes podem ser realizados mais rapidamente em um computador convencional, mas o novo método representa um desenvolvimento importante e é a primeira demonstração de um cálculo químico quântico em um computador quântico na Suécia.

“Vemos boas possibilidades de desenvolvimento do método para permitir cálculos de moléculas maiores e mais complexas, quando a próxima geração de computadores quânticos estiver pronta”, diz Martin Rahm.

A pesquisa foi realizada em estreita colaboração com colegas do Departamento de Microtecnologia e Nanociência. Eles construíram os computadores quânticos usados ​​no estudo e ajudaram a realizar as medições sensíveis necessárias para os cálculos químicos.

“É apenas usando algoritmos quânticos reais que podemos entender como nosso hardware realmente funciona e como podemos melhorá-lo. Os cálculos químicos são uma das primeiras áreas em que acreditamos que os computadores quânticos serão úteis, por isso nossa colaboração com o grupo de Martin Rahm é especialmente valiosa”, diz Jonas Bylander, Professor Associado em Tecnologia Quântica no Departamento de Microtecnologia e Nanociência.

Leia o artigo Mitigação de erro de estado de referência: uma estratégia para computação quântica de alta precisão em química no Journal of Chemical Theory and Computation.
O artigo foi escrito por Phalgun Lolur, Mårten Skogh, Werner Dobrautz, Christopher Warren, Janka Biznárová, Amr Osman, Giovanna Tancredi, Göran Wendin, Jonas Bylander e Martin Rahm. Os pesquisadores são ativos na Chalmers University of Technology.

A pesquisa foi realizada em cooperação com o Centro Wallenberg de Tecnologia Quântica (WACQT) e o projeto da UE OpensuperQ. O OpensuperQ conecta universidades e empresas em 10 países europeus com o objetivo de construir um computador quântico, e sua extensão contribuirá com mais financiamento para pesquisadores da Chalmers por seu trabalho com cálculos químicos quânticos.

*Särimner é o nome de um processador quântico com cinco qubits, ou bits quânticos, construído por Chalmers no âmbito do Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT). Seu nome é emprestado da mitologia nórdica, na qual o porco Särimner era massacrado e comido todos os dias, apenas para ressuscitar.
Särimner agora foi substituído por um computador maior com 25 qubits e o objetivo do WACQT é construir um computador quântico com 100 qubits que possa resolver problemas muito além da capacidade dos melhores supercomputadores convencionais de hoje.

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• Fonte: https://insidehpc.com/2023/04/swedish-researchers-use-error-mitigation-technique-to-apply-quantum-computing-to-chemistry/