นักวิจัยชาวสวีเดนใช้เทคนิคการลดข้อผิดพลาดเพื่อประยุกต์ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมกับวิชาเคมี

20 เมษายน 2023 — นักวิจัยจาก Chalmers University ประกาศว่าเป็นครั้งแรกในสวีเดน ที่มีการใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมสำหรับการคำนวณภายในกรณีชีวิตจริงในวิชาเคมี โดยใช้วิธีที่เรียกว่า Reference-State Error Mitigation (REM) ซึ่ง นักวิจัยกล่าวว่าทำงานโดยแก้ไขข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นเนื่องจากเสียงรบกวนโดยใช้การคำนวณจากทั้งคอมพิวเตอร์ควอนตัมและคอมพิวเตอร์ทั่วไป

“ตามทฤษฎีแล้วคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถใช้จัดการกับกรณีที่อิเล็กตรอนและนิวเคลียสของอะตอมเคลื่อนที่ด้วยวิธีที่ซับซ้อนกว่านี้ได้ หากเราสามารถเรียนรู้ที่จะใช้ศักยภาพอย่างเต็มที่ เราก็ควรจะสามารถก้าวไปสู่ขอบเขตของสิ่งที่เป็นไปได้ที่จะคำนวณและทำความเข้าใจ” Martin Rahm รองศาสตราจารย์ด้านเคมีเชิงทฤษฎีของภาควิชาเคมีและวิศวกรรมเคมีกล่าว ซึ่งเป็นผู้นำ ศึกษา.

ภายในสาขาเคมีควอนตัม กฎของกลศาสตร์ควอนตัมใช้เพื่อทำความเข้าใจว่าปฏิกิริยาเคมีใดเป็นไปได้ โครงสร้างและวัสดุชนิดใดที่สามารถพัฒนาได้ และมีลักษณะเฉพาะอย่างไร การศึกษาดังกล่าวมักดำเนินการด้วยความช่วยเหลือของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ซึ่งสร้างด้วยวงจรลอจิคัลทั่วไป อย่างไรก็ตาม มีขีดจำกัดสำหรับการคำนวณที่คอมพิวเตอร์ทั่วไปสามารถทำได้ เนื่องจากกฎของกลศาสตร์ควอนตัมอธิบายถึงพฤติกรรมของธรรมชาติในระดับย่อย นักวิจัยหลายคนเชื่อว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมควรมีอุปกรณ์ที่ดีกว่าในการคำนวณระดับโมเลกุลมากกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไป

“สิ่งต่างๆ ในโลกนี้โดยเนื้อแท้แล้วเป็นสารเคมี ตัวอย่างเช่น ตัวพาพลังงานของเรา ในทางชีววิทยา เช่นเดียวกับในรถยนต์เก่าหรือใหม่ ประกอบด้วยอิเล็กตรอนและนิวเคลียสของอะตอมที่จัดเรียงในรูปแบบต่างๆ ในโมเลกุลและวัสดุ ปัญหาบางอย่างที่เราแก้ไขในด้านเคมีควอนตัมคือการคำนวณว่าการจัดเรียงแบบใดมีโอกาสหรือให้ประโยชน์มากกว่ากัน พร้อมกับลักษณะเฉพาะของพวกมัน” Martin Rahm กล่าว

ยังมีหนทางที่ต้องทำก่อนที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะบรรลุสิ่งที่นักวิจัยตั้งเป้าไว้ งานวิจัยด้านนี้ยังเป็นของใหม่และการคำนวณแบบจำลองขนาดเล็กที่ดำเนินการมีความซับซ้อนเนื่องจากเสียงรบกวนจากสภาพแวดล้อมของคอมพิวเตอร์ควอนตัม อย่างไรก็ตาม ตอนนี้ Martin Rahm และเพื่อนร่วมงานของเขาได้พบวิธีการที่พวกเขาเห็นว่าเป็นก้าวสำคัญ วิธีการนี้เรียกว่า Reference-State Error Mitigation (REM) และทำงานโดยแก้ไขข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นเนื่องจากสัญญาณรบกวนโดยใช้การคำนวณจากทั้งคอมพิวเตอร์ควอนตัมและคอมพิวเตอร์ทั่วไป

“การศึกษานี้เป็นการพิสูจน์แนวคิดว่าวิธีการของเราสามารถปรับปรุงคุณภาพของการคำนวณทางเคมีควอนตัมได้ เป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์ที่เราจะใช้เพื่อปรับปรุงการคำนวณของเราในคอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคต” ราห์มกล่าว

หลักการเบื้องหลังวิธีนี้คือการพิจารณาสถานะอ้างอิงเป็นอันดับแรกโดยการอธิบายและแก้ปัญหาเดียวกันทั้งบนคอมพิวเตอร์ทั่วไปและคอมพิวเตอร์ควอนตัม สถานะอ้างอิงนี้แสดงถึงคำอธิบายโมเลกุลที่ง่ายกว่าปัญหาดั้งเดิมที่ตั้งใจให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมแก้ไข คอมพิวเตอร์ทั่วไปสามารถแก้ปัญหาเวอร์ชันที่ง่ายกว่านี้ได้อย่างรวดเร็ว การเปรียบเทียบผลลัพธ์จากคอมพิวเตอร์ทั้งสองเครื่อง ทำให้สามารถประมาณจำนวนข้อผิดพลาดที่เกิดจากสัญญาณรบกวนได้อย่างแม่นยำ ความแตกต่างระหว่างวิธีแก้ปัญหาของคอมพิวเตอร์สองเครื่องสำหรับปัญหาอ้างอิงสามารถใช้เพื่อแก้ไขปัญหาดั้งเดิมที่ซับซ้อนกว่าได้เมื่อรันบนตัวประมวลผลควอนตัม ด้วยการรวมวิธีการใหม่นี้เข้ากับข้อมูลจากคอมพิวเตอร์ควอนตัม Särimner* ของ Chalmers นักวิจัยจึงประสบความสำเร็จในการคำนวณพลังงานที่แท้จริงของโมเลกุลตัวอย่างขนาดเล็ก เช่น ไฮโดรเจนและลิเธียมไฮไดรด์ การคำนวณที่เทียบเท่าสามารถทำได้เร็วกว่าในคอมพิวเตอร์ทั่วไป แต่วิธีการใหม่นี้แสดงถึงการพัฒนาที่สำคัญและเป็นการสาธิตการคำนวณเคมีควอนตัมครั้งแรกในคอมพิวเตอร์ควอนตัมในสวีเดน

“เราเห็นความเป็นไปได้ที่ดีในการพัฒนาวิธีการต่อไปเพื่อให้สามารถคำนวณโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นและซับซ้อนมากขึ้นได้ เมื่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมรุ่นต่อไปพร้อมแล้ว” Martin Rahm กล่าว

การวิจัยได้ดำเนินการอย่างใกล้ชิดกับเพื่อนร่วมงานที่ภาควิชาเทคโนโลยีจุลภาคและนาโนศาสตร์ พวกเขาได้สร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้ในการศึกษา และช่วยดำเนินการตรวจวัดที่ละเอียดอ่อนซึ่งจำเป็นสำหรับการคำนวณทางเคมี

“การใช้อัลกอริธึมควอนตัมจริงเท่านั้นที่จะทำให้เราเข้าใจว่าฮาร์ดแวร์ของเราทำงานอย่างไร และเราจะปรับปรุงได้อย่างไร การคำนวณทางเคมีเป็นหนึ่งในพื้นที่แรกๆ ที่เราเชื่อว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะมีประโยชน์ ดังนั้นความร่วมมือของเรากับกลุ่มของ Martin Rahm จึงมีคุณค่าอย่างยิ่ง” Jonas Bylander รองศาสตราจารย์ด้านเทคโนโลยีควอนตัมของภาควิชาเทคโนโลยีจุลภาคและนาโนศาสตร์กล่าว

อ่านบทความ การลดข้อผิดพลาดในสถานะอ้างอิง: กลยุทธ์สำหรับการคำนวณควอนตัมเคมีที่มีความแม่นยำสูง ในวารสารทฤษฎีเคมีและการคำนวณ
บทความนี้เขียนโดย Phalgun Lolur, Mårten Skogh, Werner Dobrautz, Christopher Warren, Janka Biznárová, Amr Osman, Giovanna Tancredi, Göran Wendin, Jonas Bylander และ Martin Rahm นักวิจัยทำงานอยู่ที่ Chalmers University of Technology

การวิจัยได้ดำเนินการร่วมกับ ศูนย์ Wallenberg สำหรับเทคโนโลยีควอนตัม (WACQT) และโครงการ OpensuperQ ของสหภาพยุโรป OpensuperQ เชื่อมต่อมหาวิทยาลัยและบริษัทต่างๆ ใน ​​10 ประเทศในยุโรป โดยมีเป้าหมายในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม และส่วนขยายนี้จะสนับสนุนเงินทุนเพิ่มเติมแก่นักวิจัยที่ Chalmers สำหรับงานของพวกเขาเกี่ยวกับการคำนวณทางเคมีควอนตัม

*Särimner เป็นชื่อของโปรเซสเซอร์ควอนตัมที่มี XNUMX คิวบิตหรือควอนตัมบิต ซึ่งสร้างโดย Chalmers ภายใต้กรอบการทำงานของ Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT) ชื่อของมันยืมมาจากเทพนิยายนอร์ดิก ซึ่งหมู Särimner ถูกเชือดและกินทุกวันเพียงเพื่อให้ฟื้นคืนชีพ
ตอนนี้ Särimner ถูกแทนที่ด้วยคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ขึ้นที่มี 25 qubits และเป้าหมายของ WACQT คือการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มี 100 qubits ที่สามารถแก้ปัญหาได้ไกลเกินความสามารถของซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ทั่วไปที่ดีที่สุดในปัจจุบัน

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าถึงได้ที่นี่.
• การสร้างอนาคตโดย Adryenn Ashley เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://insidehpc.com/2023/04/swedish-researchers-use-error-mitigation-technique-to-apply-quantum-computing-to-chemistry/