Các nhà nghiên cứu Thụy Điển sử dụng kỹ thuật giảm thiểu lỗi để áp dụng tính toán lượng tử vào hóa học

Các nhà nghiên cứu Thụy Điển sử dụng kỹ thuật giảm thiểu lỗi để áp dụng tính toán lượng tử vào hóa học

Dấu thời gian: Ngày 20 tháng 2023 năm 8 44:XNUMX sáng
Nút nguồn: 2597727

Ngày 20 tháng 2023 năm XNUMX — Các nhà nghiên cứu tại Đại học Chalmers đã thông báo rằng lần đầu tiên ở Thụy Điển, một máy tính lượng tử đã được sử dụng để tính toán trong một trường hợp hóa học thực tế bằng phương pháp có tên là Giảm thiểu Lỗi Trạng thái Tham chiếu (REM), mà các nhà nghiên cứu cho biết hoạt động bằng cách sửa các lỗi xảy ra do nhiễu bằng cách sử dụng các tính toán từ cả máy tính lượng tử và máy tính thông thường.

“Về lý thuyết, máy tính lượng tử có thể được sử dụng để xử lý các trường hợp trong đó các electron và hạt nhân nguyên tử di chuyển theo những cách phức tạp hơn. Nếu chúng ta có thể học cách tận dụng hết tiềm năng của chúng, chúng ta sẽ có thể nâng cao ranh giới của những gì có thể tính toán và hiểu được,” Martin Rahm, Phó Giáo sư Hóa học Lý thuyết tại Khoa Hóa học và Kỹ thuật Hóa học, người đứng đầu nghiên cứu cho biết. học.

Trong lĩnh vực hóa học lượng tử, các định luật cơ học lượng tử được sử dụng để hiểu phản ứng hóa học nào có thể xảy ra, cấu trúc và vật liệu nào có thể được phát triển và chúng có những đặc điểm gì. Những nghiên cứu như vậy thường được thực hiện với sự trợ giúp của các siêu máy tính, được xây dựng bằng các mạch logic thông thường. Tuy nhiên, có một giới hạn mà các tính toán mà máy tính thông thường có thể xử lý. Do các định luật cơ học lượng tử mô tả hành vi của tự nhiên ở cấp độ hạ nguyên tử nên nhiều nhà nghiên cứu tin rằng máy tính lượng tử nên được trang bị tốt hơn để thực hiện các phép tính phân tử so với máy tính thông thường.

“Hầu hết mọi thứ trên thế giới này đều là hóa chất. Ví dụ, các chất mang năng lượng của chúng ta, trong sinh học cũng như trong ô tô cũ hay mới, được tạo thành từ các electron và hạt nhân nguyên tử được sắp xếp theo những cách khác nhau trong phân tử và vật liệu. Một số vấn đề chúng tôi giải quyết trong lĩnh vực hóa học lượng tử là tính toán xem sắp xếp nào trong số này có nhiều khả năng hoặc thuận lợi hơn, cùng với đặc điểm của chúng,” Martin Rahm nói.

Vẫn còn một chặng đường dài trước khi máy tính lượng tử có thể đạt được những gì mà các nhà nghiên cứu đang hướng tới. Lĩnh vực nghiên cứu này vẫn còn non trẻ và các tính toán mô hình nhỏ đang chạy rất phức tạp do tiếng ồn từ môi trường xung quanh máy tính lượng tử. Tuy nhiên, Martin Rahm và các đồng nghiệp của ông hiện đã tìm ra một phương pháp mà họ coi là một bước tiến quan trọng. Phương pháp này được gọi là Giảm thiểu lỗi trạng thái tham chiếu (REM) và hoạt động bằng cách sửa các lỗi xảy ra do nhiễu bằng cách sử dụng các tính toán từ cả máy tính lượng tử và máy tính thông thường.

“Nghiên cứu này là một bằng chứng về khái niệm rằng phương pháp của chúng tôi có thể cải thiện chất lượng của các tính toán hóa học lượng tử. Đó là một công cụ hữu ích mà chúng tôi sẽ sử dụng để cải thiện các tính toán của mình trên các máy tính lượng tử trong tương lai,” Rahm nói.

Nguyên tắc đằng sau phương pháp này trước tiên là xem xét trạng thái tham chiếu bằng cách mô tả và giải quyết cùng một vấn đề trên cả máy tính thông thường và máy tính lượng tử. Trạng thái tham chiếu này thể hiện một mô tả đơn giản hơn về một phân tử so với vấn đề ban đầu dự kiến ​​sẽ được giải quyết bằng máy tính lượng tử. Một máy tính thông thường có thể giải quyết vấn đề phiên bản đơn giản hơn này một cách nhanh chóng. Bằng cách so sánh kết quả từ cả hai máy tính, có thể đưa ra ước tính chính xác về mức độ lỗi do nhiễu gây ra. Sự khác biệt giữa các giải pháp của hai máy tính cho vấn đề tham chiếu sau đó có thể được sử dụng để sửa giải pháp cho vấn đề ban đầu, phức tạp hơn khi nó được chạy trên bộ xử lý lượng tử. Bằng cách kết hợp phương pháp mới này với dữ liệu từ máy tính lượng tử Särimner* của Chalmers, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc tính toán năng lượng nội tại của các phân tử ví dụ nhỏ như hydro và liti hydrua. Các phép tính tương đương có thể được thực hiện nhanh hơn trên máy tính thông thường, nhưng phương pháp mới thể hiện một bước phát triển quan trọng và là minh chứng đầu tiên của phép tính hóa học lượng tử trên máy tính lượng tử ở Thụy Điển.

Martin Rahm cho biết: “Chúng tôi nhận thấy những khả năng tốt để phát triển hơn nữa phương pháp cho phép tính toán các phân tử lớn hơn và phức tạp hơn, khi thế hệ máy tính lượng tử tiếp theo sẵn sàng.

Nghiên cứu đã được thực hiện với sự hợp tác chặt chẽ với các đồng nghiệp tại Khoa Công nghệ vi mô và Khoa học nano. Họ đã xây dựng các máy tính lượng tử được sử dụng trong nghiên cứu và giúp thực hiện các phép đo nhạy cảm cần thiết cho các tính toán hóa học.

“Chỉ bằng cách sử dụng các thuật toán lượng tử thực tế, chúng tôi mới có thể hiểu được phần cứng của chúng tôi thực sự hoạt động như thế nào và chúng tôi có thể cải thiện nó như thế nào. Tính toán hóa học là một trong những lĩnh vực đầu tiên mà chúng tôi tin rằng máy tính lượng tử sẽ hữu ích, vì vậy sự hợp tác của chúng tôi với nhóm của Martin Rahm đặc biệt có giá trị,” Jonas Bylander, Phó Giáo sư Công nghệ Lượng tử tại Khoa Công nghệ Vi mô và Khoa học Nano cho biết.

Đọc bài viết Giảm thiểu lỗi trạng thái tham chiếu: Chiến lược tính toán lượng tử hóa học có độ chính xác cao trong Tạp chí Lý thuyết và Tính toán Hóa học.
Bài báo được viết bởi Phalgun Lolur, Mårten Skogh, Werner Dobrautz, Christopher Warren, Janka Biznárová, Amr Osman, Giovanna Tancredi, Göran Wendin, Jonas Bylander và Martin Rahm. Các nhà nghiên cứu đang hoạt động tại Đại học Công nghệ Chalmers.

Nghiên cứu đã được thực hiện với sự hợp tác của các Trung tâm Công nghệ lượng tử Wallenberg (WACQT) và dự án EU OpensuperQ. OpensuperQ kết nối các trường đại học và công ty ở 10 quốc gia châu Âu với mục đích xây dựng một máy tính lượng tử và phần mở rộng của nó sẽ góp thêm kinh phí cho các nhà nghiên cứu tại Chalmers cho công việc tính toán hóa học lượng tử của họ.

*Särimner là tên của một bộ xử lý lượng tử có năm qubit, hoặc bit lượng tử, do Chalmers chế tạo trong khuôn khổ của Trung tâm Công nghệ Lượng tử Wallenberg (WACQT). Tên của nó được mượn từ thần thoại Bắc Âu, trong đó con lợn Särimner bị giết thịt và ăn thịt mỗi ngày, chỉ để hồi sinh.
Särimner hiện đã được thay thế bằng một máy tính lớn hơn với 25 qubit và mục tiêu của WACQT là xây dựng một máy tính lượng tử với 100 qubit có thể giải quyết các vấn đề vượt xa khả năng của các siêu máy tính thông thường tốt nhất hiện nay.

Dấu thời gian:

Thêm từ Bên trong HPC