Исследователи из Университета Чалмерса впервые в Швеции использовали квантовый компьютер для проведения вычислений в реальном случае по химии.
Квантовые компьютеры все еще связаны с большими ожиданиями – мир ждет новых революционных возможностей. Например, в химической промышленности способность лучше моделировать процессы может иметь огромное влияние на разработку новых материалов или лекарств.
"Квантовые компьютеры теоретически могут быть использованы для обработки случаев, когда электроны и атомные ядра движутся более сложным образом. Если мы научимся использовать весь их потенциал, то сможем расширить границы возможного и понятного с точки зрения вычислений" – говорит Мартин Рам, доцент кафедры теоретической химии на факультете химии и химической инженерии, который возглавлял исследование.
Квантовый компьютер для квантовой химии
В области квантовой химии законы квантовой механики используют, чтобы понять, какие химические реакции возможны, какие структуры и материалы можно разработать и какие свойства они имеют. Такие исследования обычно проводятся с помощью суперкомпьютеров, построенных на основе обычных логических схем. Однако существует предел для вычислений, с которыми могут справиться обычные компьютеры. Поскольку законы квантовой механики описывают поведение природы на субатомном уровне, многие исследователи считают, что квантовый компьютер должен быть лучше приспособлен для выполнения молекулярных расчетов, чем обычный компьютер.
"Большинство вещей в этом мире по своей природе являются химическими. Например, наши энергоносители, будь то в биологии или в старых или новых автомобилях, состоят из электронов и атомных ядер, которые по-разному расположены в молекулах и материалах. Некоторые из проблем, которые мы решаем в квантовой химии, включают вычисление того, какие из этих расположений являются более вероятными или выгодными, а также их характеристики", – рассказывает Мартин Рам.
Метод уменьшения ошибок опорного состояния
До квантовых компьютеров еще далеко. Эта область исследований все еще молодая, а расчеты на малых моделях осложняются шумами, возникающими в среде квантового компьютера. Однако Мартин Рам и его коллеги нашли метод, который они считают важным шагом вперед – уменьшение ошибок опорного состояния (Reference-State Error Mitigation, REM). Метод работает путем исправления ошибок, которые возникают из-за шума, используя вычисления как квантового компьютера, так и обычного компьютера.
"Исследование доказывает, что наш метод может улучшить качество квантово-химических расчетов. Это полезный инструмент, который мы будем использовать для улучшения расчетов на квантовом компьютере в будущем" – говорит Мартин Рам.
Метод работает, сначала рассматривая референтное состояние, описывая и решая одну и ту же задачу как на обычном, так и на квантовом компьютере. Это референтное состояние представляет собой более простое описание частицы, чем оригинальная задача, которую должен решить квантовый компьютер. Обычный компьютер может быстро решить эту более простую версию задачи.
Сравнивая результаты, полученные двумя компьютерами, можно точно оценить величину погрешности, вызванной шумом. Разница между решениями эталонной задачи, полученными двумя компьютерами, может быть использована для коррекции решения оригинальной, более сложной задачи при ее выполнении на квантовом процессоре. Соединив этот новый метод с данными собственного квантового компьютера Чалмерса Särimner, исследователи смогли вычислить внутреннюю энергию небольших молекул, таких как водород и гидрид лития. Эквивалентные расчеты можно выполнить быстрее на обычном компьютере, но новый метод является важным достижением и первой демонстрацией квантово-химических расчетов на квантовом компьютере в Швеции.
"Мы видим возможности для дальнейшего развития метода, который позволит рассчитывать большие и более сложные молекулы, когда будет готово следующее поколение квантовых компьютеров" – говорит Мартин Рам.
Исследование проводилось в тесном сотрудничестве с учеными из Департамента микротехнологий и нанонауки. Они создали квантовые компьютеры, которые используются в исследовании, а также помогли сделать чувствительные измерения, необходимые для химических расчетов.
"Только используя реальные квантовые алгоритмы, мы можем понять, как на самом деле работает наше оборудование и как мы можем его усовершенствовать. Химические вычисления – одна из первых сфер, где, по нашему мнению, квантовые компьютеры будут полезными, поэтому наше сотрудничество с группой Мартина Рама особенно ценно" – говорит Йонас Байландер, доцент кафедры квантовых технологий на факультете микротехнологий и нанонаук.
