Дослідники з Університету Чалмерса вперше у Швеції використали квантовий комп'ютер для проведення обчислень у реальному випадку з хімії.
Квантові комп'ютери все ще пов'язані з великими очікуваннями – світ чекає на нові революційні можливості. Наприклад, у хімічній промисловості здатність краще моделювати процеси може мати величезний вплив на розробку нових матеріалів або ліків.
"Квантові комп'ютери теоретично можуть бути використані для обробки випадків, коли електрони та атомні ядра рухаються у більш складний спосіб. Якщо ми навчимося використовувати весь їхній потенціал, то зможемо розширити межі можливого і зрозумілого з точки зору обчислень" – говорить Мартін Рам, доцент кафедри теоретичної хімії на факультеті хімії та хімічної інженерії, який очолював дослідження.
Квантовий комп’ютер для квантової хімії
У галузі квантової хімії закони квантової механіки використовують, щоб зрозуміти, які хімічні реакції можливі, які структури і матеріали можна розробити і які властивості вони мають. Такі дослідження зазвичай проводяться за допомогою суперкомп'ютерів, побудованих на основі звичайних логічних схем. Однак існує межа для обчислень, з якими можуть впоратися звичайні комп'ютери. Оскільки закони квантової механіки описують поведінку природи на субатомному рівні, багато дослідників вважають, що квантовий комп'ютер має бути краще пристосований для виконання молекулярних розрахунків, ніж звичайний комп'ютер.
"Більшість речей у цьому світі за своєю природою є хімічними. Наприклад, наші енергоносії, чи то в біології, чи в старих або нових автомобілях, складаються з електронів та атомних ядер, які по-різному розташовані в молекулах і матеріалах. Деякі з проблем, які ми вирішуємо у квантовій хімії, включають обчислення того, які з цих розташувань є більш ймовірними чи вигідними, а також їхні характеристики" – розповідає Мартін Рам.
Метод зменшення помилок опорного стану
До квантових комп'ютерів ще далеко. Ця галузь досліджень все ще молода, а розрахунки на малих моделях ускладнюються шумами, що виникають у середовищі квантового комп'ютера. Однак Мартін Рам і його колеги знайшли метод, який вони вважають важливим кроком вперед – зменшення помилок опорного стану (Reference-State Error Mitigation, REM). Метод працює шляхом виправлення помилок, які виникають через шум, використовуючи обчислення як квантового комп'ютера, так і звичайного комп'ютера.
"Дослідження доводить, що наш метод може покращити якість квантово-хімічних розрахунків. Це корисний інструмент, який ми будемо використовувати для покращення розрахунків на квантовому комп'ютері в майбутньому" – каже Мартін Рам.
Метод працює, спочатку розглядаючи референтний стан, описуючи і розв'язуючи одну і ту ж задачу як на звичайному, так і на квантовому комп'ютері. Цей референтний стан являє собою простіший опис частинки, ніж оригінальна задача, яку має розв'язати квантовий комп'ютер. Звичайний комп'ютер може швидко розв'язати цю простішу версію задачі.
Порівнюючи результати, отримані двома комп'ютерами, можна точно оцінити величину похибки, спричиненої шумом. Різниця між розв'язками еталонної задачі, отриманими двома комп'ютерами, може бути використана для корекції розв'язку оригінальної, більш складної задачі при її виконанні на квантовому процесорі. Поєднавши цей новий метод з даними власного квантового комп'ютера Чалмерса Särimner, дослідники змогли обчислити внутрішню енергію невеликих молекул, таких як водень і гідрид літію. Еквівалентні розрахунки можна виконати швидше на звичайному комп'ютері, але новий метод є важливим досягненням і першою демонстрацією квантово-хімічних розрахунків на квантовому комп'ютері у Швеції.
"Ми бачимо можливості для подальшого розвитку методу, який дозволить розраховувати більші та складніші молекули, коли буде готове наступне покоління квантових комп'ютерів" – каже Мартін Рам.
Дослідження проводилося у тісній співпраці з вченими з Департаменту мікротехнологій та нанонауки. Вони створили квантові комп'ютери, які використовуються в дослідженні, а також допомогли зробити чутливі вимірювання, необхідні для хімічних розрахунків.
"Тільки використовуючи реальні квантові алгоритми, ми можемо зрозуміти, як насправді працює наше обладнання і як ми можемо його вдосконалити. Хімічні обчислення – одна з перших сфер, де, на нашу думку, квантові комп'ютери будуть корисними, тому наша співпраця з групою Мартіна Рама є особливо цінною" – каже Йонас Байландер, доцент кафедри квантових технологій на факультеті мікротехнологій та нанонаук.
