Шведские исследователи используют технику уменьшения ошибок, чтобы применить квантовые вычисления к химии

20 апреля 2023 г. — Исследователи из Университета Чалмерса объявили, что впервые в Швеции квантовый компьютер был использован для расчетов в рамках реального случая в химии с использованием метода, называемого уменьшением ошибок эталонного состояния (REM). исследователи говорят, что работает, исправляя ошибки, возникающие из-за шума, используя вычисления как квантового компьютера, так и обычного компьютера.

«Теоретически квантовые компьютеры можно использовать для обработки случаев, когда электроны и атомные ядра движутся более сложным образом. Если мы сможем научиться использовать весь их потенциал, мы сможем раздвинуть границы того, что можно рассчитать и понять», — сказал Мартин Рам, доцент кафедры теоретической химии на кафедре химии и химической инженерии, возглавлявший исследование. изучать.

В области квантовой химии законы квантовой механики используются, чтобы понять, какие химические реакции возможны, какие структуры и материалы могут быть разработаны и какими характеристиками они обладают. Такие исследования обычно проводятся с помощью суперкомпьютеров, построенных на основе обычных логических схем. Однако существует предел, с которым могут справиться обычные компьютеры. Поскольку законы квантовой механики описывают поведение природы на субатомном уровне, многие исследователи считают, что квантовый компьютер должен быть лучше оснащен для выполнения молекулярных расчетов, чем обычный компьютер.

«Большинство вещей в этом мире по своей природе химические. Например, наши энергоносители в биологии, а также в старых или новых автомобилях состоят из электронов и атомных ядер, по-разному расположенных в молекулах и материалах. Некоторые из проблем, которые мы решаем в области квантовой химии, заключаются в том, чтобы рассчитать, какие из этих механизмов более вероятны или выгодны, а также их характеристики», — говорит Мартин Рам.

Еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем квантовые компьютеры смогут достичь того, к чему стремятся исследователи. Эта область исследований еще молода, и выполняемые небольшие модельные расчеты осложняются шумом из окружения квантового компьютера. Однако теперь Мартин Рам и его коллеги нашли метод, который они считают важным шагом вперед. Этот метод называется «Уменьшение ошибок эталонного состояния» (REM) и работает путем исправления ошибок, возникающих из-за шума, с использованием вычислений как квантового компьютера, так и обычного компьютера.

«Исследование является доказательством концепции того, что наш метод может улучшить качество квантово-химических расчетов. Это полезный инструмент, который мы будем использовать для улучшения наших расчетов на квантовых компьютерах в будущем», — сказал Рам.

Принцип метода заключается в том, чтобы сначала рассмотреть эталонное состояние, описав и решив одну и ту же проблему как на обычном, так и на квантовом компьютере. Это эталонное состояние представляет собой более простое описание молекулы, чем исходная задача, которую должен был решить квантовый компьютер. Обычный компьютер может быстро решить эту более простую версию задачи. Сравнивая результаты обоих компьютеров, можно точно оценить величину ошибки, вызванной шумом. Затем разницу между решениями двух компьютеров для эталонной задачи можно использовать для исправления решения исходной, более сложной задачи, когда она выполняется на квантовом процессоре. Объединив этот новый метод с данными квантового компьютера Чалмерса Särimner*, исследователи преуспели в расчете внутренней энергии малых молекул, таких как водород и гидрид лития. Эквивалентные расчеты можно выполнить быстрее на обычном компьютере, но новый метод представляет собой важное достижение и является первой демонстрацией квантово-химических расчетов на квантовом компьютере в Швеции.

«Мы видим хорошие возможности для дальнейшего развития метода, позволяющего рассчитывать более крупные и сложные молекулы, когда будет готово следующее поколение квантовых компьютеров», — говорит Мартин Рам.

Исследование проводилось в тесном сотрудничестве с коллегами из отдела микротехнологий и нанонауки. Они построили квантовые компьютеры, которые используются в исследовании, и помогли выполнить точные измерения, необходимые для химических расчетов.

«Только используя настоящие квантовые алгоритмы, мы можем понять, как на самом деле работает наше оборудование и как мы можем его улучшить. Химические расчеты — одна из первых областей, в которых мы считаем, что квантовые компьютеры будут полезны, поэтому наше сотрудничество с группой Мартина Рама особенно ценно», — говорит Йонас Биландер, доцент кафедры квантовых технологий на кафедре микротехнологии и нанонауки.

Читать статью Уменьшение ошибки эталонного состояния: стратегия высокоточных квантовых вычислений в химии в Журнале химической теории и вычислений.
Статью написали Фалгун Лолур, Мортен Ског, Вернер Добрауц, Кристофер Уоррен, Янка Бизнарова, Амр Осман, Джованна Танкреди, Йоран Вендин, Йонас Биландер и Мартин Рам. Исследователи работают в Технологическом университете Чалмерса.

Исследование проводилось в сотрудничестве с Валленбергский центр квантовых технологий (WACQT) и европейский проект OpensuperQ. OpensuperQ объединяет университеты и компании в 10 европейских странах с целью создания квантового компьютера, и его расширение будет способствовать дальнейшему финансированию исследователей из Чалмерса для их работы с квантово-химическими расчетами.

*Särimner — это название квантового процессора с пятью кубитами или квантовыми битами, созданного Чалмерсом в рамках Валленбергского центра квантовых технологий (WACQT). Его название заимствовано из скандинавской мифологии, в которой свинью Саримнер резали и ели каждый день только для того, чтобы воскресить.
На смену Саримнеру пришел более крупный компьютер с 25 кубитами, и целью WACQT является создание квантового компьютера со 100 кубитами, способного решать задачи, далеко выходящие за рамки возможностей лучших современных суперкомпьютеров.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Чеканка будущего с Эдриенн Эшли. Доступ здесь.
• Источник: https://insidehpc.com/2023/04/swedish-researchers-use-error-mitigation-technique-to-apply-quantum-computing-to-chemistry/