Шведські дослідники використовують техніку зменшення помилок для застосування квантових обчислень до хімії

20 квітня 2023 р. — Дослідники з Університету Чалмерса оголосили, що вперше в Швеції квантовий комп’ютер був використаний для обчислень у реальних випадках у хімії за допомогою методу, який називається Reference-State Error Mitigation (REM), який Дослідники кажуть, що він працює, виправляючи помилки, які виникають через шум, використовуючи обчислення як квантового комп’ютера, так і звичайного комп’ютера.

«Теоретично квантові комп’ютери можна використовувати для обробки випадків, коли електрони та атомні ядра рухаються більш складними способами. Якщо ми зможемо навчитися використовувати весь їхній потенціал, ми зможемо розширити межі того, що можливо обчислити та зрозуміти», — сказав Мартін Рам, доцент кафедри теоретичної хімії на кафедрі хімії та хімічної інженерії, який очолював вивчення.

У галузі квантової хімії закони квантової механіки використовуються для розуміння того, які хімічні реакції можливі, які структури та матеріали можна розробити та які характеристики вони мають. Такі дослідження зазвичай проводяться за допомогою суперкомп’ютерів, побудованих за допомогою звичайних логічних схем. Однак існує обмеження, яке можуть обчислювати звичайні комп’ютери. Оскільки закони квантової механіки описують поведінку природи на субатомному рівні, багато дослідників вважають, що квантовий комп’ютер має бути краще оснащений для виконання молекулярних обчислень, ніж звичайний комп’ютер.

«Більшість речей у цьому світі за своєю суттю хімічні. Наприклад, наші носії енергії в біології, а також у старих чи нових автомобілях складаються з електронів і атомних ядер, розташованих по-різному в молекулах і матеріалах. Деякі з проблем, які ми вирішуємо в галузі квантової хімії, полягають у тому, щоб обчислити, які з цих механізмів є більш імовірними чи вигідними, а також їхні характеристики», — каже Мартін Рам.

Попереду ще багато чого, перш ніж квантові комп’ютери зможуть досягти того, до чого прагнуть дослідники. Ця галузь досліджень все ще молода, і обчислення невеликої моделі, які виконуються, ускладнюються шумом з оточення квантового комп’ютера. Однак Мартін Рам і його колеги тепер знайшли метод, який вони вважають важливим кроком вперед. Метод називається Reference-State Error Mitigation (REM) і працює шляхом виправлення помилок, які виникають через шум, використовуючи обчислення як квантового комп’ютера, так і звичайного комп’ютера.

«Дослідження є доказом того, що наш метод може покращити якість квантово-хімічних розрахунків. Це корисний інструмент, який ми будемо використовувати для вдосконалення наших розрахунків на квантових комп’ютерах, що рухаються вперед», — сказав Рам.

Принцип, що лежить в основі цього методу, полягає в тому, щоб спочатку розглянути еталонний стан, описуючи та розв’язуючи ту саму проблему як на звичайному, так і на квантовому комп’ютері. Цей еталонний стан являє собою простіший опис молекули, ніж вихідна проблема, яку планується вирішити квантовим комп’ютером. Звичайний комп'ютер може швидко вирішити цю простішу версію проблеми. Порівнюючи результати обох комп’ютерів, можна зробити точну оцінку кількості помилок, спричинених шумом. Різниця між двома комп’ютерними рішеннями еталонної задачі може бути використана для виправлення вихідної, складнішої проблеми, коли вона виконується на квантовому процесорі. Об’єднавши цей новий метод із даними квантового комп’ютера Чалмерса Särimner*, дослідникам вдалося обчислити власну енергію невеликих молекул, таких як водень і гідрид літію. Еквівалентні розрахунки можна проводити швидше на звичайному комп’ютері, але новий метод є важливою розробкою та є першою демонстрацією квантово-хімічного розрахунку на квантовому комп’ютері в Швеції.

«Ми бачимо хороші можливості для подальшого розвитку методу, щоб дозволити обчислення більших і складніших молекул, коли наступне покоління квантових комп’ютерів буде готове», — говорить Мартін Рам.

Дослідження проводилося в тісній співпраці з колегами з відділу мікротехнологій і нанонаук. Вони створили квантові комп’ютери, які використовуються в дослідженні, і допомогли виконати чутливі вимірювання, необхідні для хімічних розрахунків.

«Тільки використовуючи реальні квантові алгоритми, ми можемо зрозуміти, як насправді працює наше обладнання та як ми можемо його покращити. Хімічні розрахунки є однією з перших областей, де ми вважаємо, що квантові комп’ютери будуть корисними, тому наша співпраця з групою Мартіна Рама є особливо цінною», – говорить Йонас Байландер, доцент кафедри квантових технологій на кафедрі мікротехнологій і нанонаук.

Читати статтю Пом'якшення помилок еталонного стану: стратегія високоточних квантових обчислень у хімії в журналі хімічної теорії та обчислення.
Статтю написали Фалгун Лолур, Мартен Ског, Вернер Добрауц, Крістофер Воррен, Янка Бізнарова, Амр Осман, Джованна Танкреді, Йоран Вендін, Йонас Біландер і Мартін Рам. Дослідники працюють в Технологічному університеті Чалмерса.

Дослідження проводилось у співпраці з Валленбергський центр квантових технологій (WACQT) та ЄС-проект OpensuperQ. OpensuperQ об’єднує університети та компанії в 10 європейських країнах з метою створення квантового комп’ютера, і його розширення сприятиме подальшому фінансуванню дослідників Чалмерса для їх роботи з квантово-хімічними обчисленнями.

*Särimner — це назва квантового процесора з п'ятьма кубітами або квантовими бітами, створеного Чалмерсом у рамках Центру квантових технологій Валленберга (WACQT). Його назва запозичена з скандинавської міфології, у якій свиню Серімнера щодня різали та їли, щоб воскреснути.
Särimner тепер замінений більшим комп’ютером із 25 кубітами, і мета WACQT полягає в тому, щоб побудувати квантовий комп’ютер із 100 кубітами, який зможе вирішувати проблеми, які значно перевищують можливості найкращих сучасних суперкомп’ютерів.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• Карбування майбутнього з Адріенн Ешлі. Доступ тут.
• джерело: https://insidehpc.com/2023/04/swedish-researchers-use-error-mitigation-technique-to-apply-quantum-computing-to-chemistry/