Svenska forskare använder felreducerande teknik för att tillämpa kvantberäkning på kemi

20 april 2023 — Forskare vid Chalmers högskola har meddelat att en kvantdator för första gången i Sverige har använts för beräkningar inom ett verkligt fall inom kemi med en metod som kallas Reference-State Error Mitigation (REM), som den forskare säger att det fungerar genom att korrigera för de fel som uppstår på grund av brus genom att använda beräkningarna från både en kvantdator och en konventionell dator.

– Kvantdatorer skulle i teorin kunna användas för att hantera fall där elektroner och atomkärnor rör sig på mer komplicerade sätt. Om vi ​​kan lära oss att utnyttja deras fulla potential borde vi kunna flytta fram gränserna för vad som är möjligt att beräkna och förstå, säger Martin Rahm, docent i teoretisk kemi vid institutionen för kemi och kemiteknik, som har lett studie.

Inom området kvantkemi används kvantmekanikens lagar för att förstå vilka kemiska reaktioner som är möjliga, vilka strukturer och material som kan utvecklas och vilka egenskaper de har. Sådana studier genomförs normalt med hjälp av superdatorer, byggda med konventionella logiska kretsar. Det finns dock en gräns för vilka beräkningar vanliga datorer klarar av. Eftersom kvantmekanikens lagar beskriver naturens beteende på subatomär nivå, anser många forskare att en kvantdator borde vara bättre rustad att utföra molekylära beräkningar än en konventionell dator.

"Det mesta i den här världen är i sig kemiskt. Till exempel är våra energibärare, inom biologin såväl som i gamla eller nya bilar, uppbyggda av elektroner och atomkärnor ordnade på olika sätt i molekyler och material. Några av problemen vi löser inom kvantkemi är att beräkna vilket av dessa arrangemang som är mer troligt eller fördelaktigt, tillsammans med deras egenskaper, säger Martin Rahm.

Det finns fortfarande en bit kvar innan kvantdatorer kan uppnå det som forskarna siktar på. Detta forskningsfält är fortfarande ungt och de små modellberäkningarna som görs kompliceras av brus från kvantdatorns omgivning. Martin Rahm och hans kollegor har dock nu hittat en metod som de ser som ett viktigt steg framåt. Metoden kallas Reference-State Error Mitigation (REM) och fungerar genom att korrigera för de fel som uppstår på grund av brus genom att utnyttja beräkningarna från både en kvantdator och en konventionell dator.

– Studien är ett bevis på att vår metod kan förbättra kvaliteten på kvantkemiska beräkningar. Det är ett användbart verktyg som vi kommer att använda för att förbättra våra beräkningar på kvantdatorer framåt, säger Rahm.

Principen bakom metoden är att först överväga ett referenstillstånd genom att beskriva och lösa samma problem på både en konventionell och en kvantdator. Detta referenstillstånd representerar en enklare beskrivning av en molekyl än det ursprungliga problemet avsett att lösas av kvantdatorn. En konventionell dator kan snabbt lösa denna enklare version av problemet. Genom att jämföra resultaten från båda datorerna kan en exakt uppskattning göras för mängden fel som orsakas av brus. Skillnaden mellan de två datorernas lösningar för referensproblemet kan sedan användas för att korrigera lösningen för det ursprungliga, mer komplexa, problemet när det körs på kvantprocessorn. Genom att kombinera denna nya metod med data från Chalmers kvantdator Särimner* har forskarna lyckats beräkna den inneboende energin hos små exempelmolekyler som väte och litiumhydrid. Motsvarande beräkningar kan göras snabbare på en konventionell dator, men den nya metoden representerar en viktig utveckling och är den första demonstrationen av en kvantkemisk beräkning på en kvantdator i Sverige.

– Vi ser goda möjligheter för vidareutveckling av metoden för att möjliggöra beräkningar av större och mer komplexa molekyler, när nästa generation kvantdatorer är klara, säger Martin Rahm.

Forskningen har bedrivits i nära samarbete med kollegor vid institutionen för mikroteknik och nanovetenskap. De har byggt kvantdatorerna som används i studien, och hjälpt till att utföra de känsliga mätningar som behövs för de kemiska beräkningarna.

"Det är bara genom att använda riktiga kvantalgoritmer som vi kan förstå hur vår hårdvara verkligen fungerar och hur vi kan förbättra den. Kemiska beräkningar är ett av de första områdena där vi tror att kvantdatorer kommer att vara användbara, så vårt samarbete med Martin Rahms grupp är särskilt värdefullt”, säger Jonas Bylander, docent i kvantteknik vid institutionen för mikroteknik och nanovetenskap.

Läs artikeln Reference-State Error Mitigation: A Strategy for High Precision Quantum Computation of Chemistry i Journal of Chemical Theory and Computation.
Artikeln är skriven av Phalgun Lolur, Mårten Skogh, Werner Dobrautz, Christopher Warren, Janka Biznárová, Amr Osman, Giovanna Tancredi, Göran Wendin, Jonas Bylander och Martin Rahm. Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola.

Forskningen har utförts i samarbete med Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT) och EU-projektet OpensuperQ. OpensuperQ kopplar samman universitet och företag i 10 europeiska länder med syftet att bygga en kvantdator, och dess utbyggnad kommer att bidra med ytterligare finansiering till forskare på Chalmers för deras arbete med kvantkemiska beräkningar.

*Särimner är namnet på en kvantprocessor med fem kvantbitar, eller kvantbitar, byggd av Chalmers inom ramen för Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT). Dess namn är lånat från nordisk mytologi, där grisen Särimner slaktades och åts varje dag, bara för att återuppstå.
Särimner har nu ersatts av en större dator med 25 qubits och målet för WACQT är att bygga en kvantdator med 100 qubits som kan lösa problem långt över kapaciteten hos dagens bästa konventionella superdatorer.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tillgång här.
• Källa: https://insidehpc.com/2023/04/swedish-researchers-use-error-mitigation-technique-to-apply-quantum-computing-to-chemistry/