Švedski raziskovalci uporabljajo tehniko zmanjševanja napak za uporabo kvantnega računalništva v kemiji

20. april 2023 — Raziskovalci na univerzi Chalmers so objavili, da je bil prvič na Švedskem kvantni računalnik uporabljen za izračune v resničnem primeru v kemiji z uporabo metode, imenovane Reference-State Error Mitigation (REM), ki jo raziskovalci pravijo, da deluje tako, da popravlja napake, ki nastanejo zaradi hrupa, z uporabo izračunov iz kvantnega računalnika in običajnega računalnika.

»Kvantne računalnike bi teoretično lahko uporabili za obravnavanje primerov, ko se elektroni in atomska jedra premikajo na bolj zapletene načine. Če se lahko naučimo izkoristiti njihov polni potencial, bi morali biti sposobni dvigniti meje tega, kar je mogoče izračunati in razumeti,« je povedal Martin Rahm, izredni profesor za teoretično kemijo na Oddelku za kemijo in kemijsko tehnologijo, ki je vodil študija.

Na področju kvantne kemije se zakoni kvantne mehanike uporabljajo za razumevanje, katere kemijske reakcije so možne, katere strukture in materiale je mogoče razviti ter kakšne lastnosti imajo. Takšne študije se običajno izvajajo s pomočjo super računalnikov, zgrajenih s konvencionalnimi logičnimi vezji. Vendar obstaja omejitev, ki jo običajni računalniki lahko izvajajo. Ker zakoni kvantne mehanike opisujejo obnašanje narave na subatomski ravni, mnogi raziskovalci menijo, da bi moral biti kvantni računalnik bolje opremljen za izvajanje molekularnih izračunov kot običajen računalnik.

»Večina stvari na tem svetu je sama po sebi kemičnih. Na primer, naši nosilci energije, tako v biologiji kot tudi v starih ali novih avtomobilih, so sestavljeni iz elektronov in atomskih jeder, razporejenih na različne načine v molekulah in materialih. Nekateri problemi, ki jih rešujemo na področju kvantne kemije, so izračunati, katere od teh ureditev so verjetnejše ali ugodnejše, skupaj z njihovimi značilnostmi,« pravi Martin Rahm.

Preden lahko kvantni računalniki dosežejo cilj raziskovalcev, je še veliko. To področje raziskav je še mlado in izračuni majhnih modelov, ki se izvajajo, so zapleteni zaradi hrupa iz okolice kvantnega računalnika. Vendar pa so Martin Rahm in njegovi kolegi zdaj našli metodo, ki se jim zdi pomemben korak naprej. Metoda se imenuje Reference-State Error Mitigation (REM) in deluje tako, da popravlja napake, ki nastanejo zaradi hrupa, z uporabo izračunov iz kvantnega in običajnega računalnika.

»Študija je dokaz koncepta, da lahko naša metoda izboljša kakovost kvantno-kemijskih izračunov. Je uporabno orodje, ki ga bomo uporabili za izboljšanje naših izračunov na kvantnih računalnikih, ki se premikajo naprej,« je dejal Rahm.

Načelo metode je, da se najprej upošteva referenčno stanje z opisovanjem in reševanjem istega problema tako na običajnem kot na kvantnem računalniku. To referenčno stanje predstavlja enostavnejši opis molekule kot prvotni problem, ki naj bi ga rešil kvantni računalnik. Običajni računalnik lahko hitro reši to preprostejšo različico problema. S primerjavo rezultatov obeh računalnikov je mogoče natančno oceniti količino napake, ki jo povzroči hrup. Razliko med rešitvama obeh računalnikov za referenčni problem lahko nato uporabimo za popravek rešitve za izvirni, bolj zapleten problem, ko se izvaja na kvantnem procesorju. Z združitvijo te nove metode s podatki iz Chalmersovega kvantnega računalnika Särimner* je raziskovalcem uspelo izračunati intrinzično energijo majhnih primerov molekul, kot sta vodik in litijev hidrid. Enakovredne izračune je mogoče hitreje izvesti na običajnem računalniku, vendar nova metoda predstavlja pomemben razvoj in je prva predstavitev kvantno kemijskega izračuna na kvantnem računalniku na Švedskem.

"Vidimo dobre možnosti za nadaljnji razvoj metode, ki bo omogočila izračune večjih in kompleksnejših molekul, ko bo pripravljena naslednja generacija kvantnih računalnikov," pravi Martin Rahm.

Raziskava je potekala v tesnem sodelovanju s sodelavci Oddelka za mikrotehnologijo in nanoznanosti. Izdelali so kvantne računalnike, ki se uporabljajo v študiji, in pomagali izvesti občutljive meritve, ki so potrebne za kemijske izračune.

»Le z uporabo pravih kvantnih algoritmov lahko razumemo, kako naša strojna oprema v resnici deluje in kako jo lahko izboljšamo. Kemijski izračuni so eno prvih področij, kjer menimo, da bodo kvantni računalniki uporabni, zato je naše sodelovanje s skupino Martina Rahma še posebej dragoceno,« pravi Jonas Bylander, izredni profesor za kvantno tehnologijo na oddelku za mikrotehnologijo in nanoznanost.

Preberi članek Zmanjšanje napak v referenčnem stanju: strategija za visoko natančno kvantno računanje kemije v Journal of Chemical Theory and Computation.
Članek so napisali Phalgun Lolur, Mårten Skogh, Werner Dobrautz, Christopher Warren, Janka Biznárová, Amr Osman, Giovanna Tancredi, Göran Wendin, Jonas Bylander in Martin Rahm. Raziskovalci so aktivni na tehnološki univerzi Chalmers.

Raziskava je bila izvedena v sodelovanju z Wallenberg Center za kvantno tehnologijo (WACQT) in EU-projekt OpensuperQ. OpensuperQ povezuje univerze in podjetja v 10 evropskih državah z namenom izdelave kvantnega računalnika, njegova razširitev pa bo prispevala nadaljnje financiranje raziskovalcev v Chalmersu za njihovo delo s kvantno kemijskimi izračuni.

*Särimner je ime kvantnega procesorja s petimi kubiti ali kvantnimi biti, ki ga je izdelal Chalmers v okviru Wallenbergovega centra za kvantno tehnologijo (WACQT). Njegovo ime je izposojeno iz nordijske mitologije, v kateri so prašiča Särimnerja vsak dan zaklali in pojedli, da bi ga le vstali.
Särimnerja je zdaj nadomestil večji računalnik s 25 kubiti, cilj WACQT pa je izdelava kvantnega računalnika s 100 kubiti, ki lahko reši probleme, ki daleč presegajo zmogljivost današnjih najboljših običajnih superračunalnikov.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• Kovanje prihodnosti z Adryenn Ashley. Dostopite tukaj.
• vir: https://insidehpc.com/2023/04/swedish-researchers-use-error-mitigation-technique-to-apply-quantum-computing-to-chemistry/