W końcu nadchodzi przełom w rozwoju komputerów kwantowych?

Obliczono energię stanu podstawowego. Algorytm Google Quantum AI pomoże stworzyć nowe materiały

Naukowcy z Uniwersytetu Columbia i Google Quantum AI opracowali nowy algorytm, który wykorzystuje największą jak dotąd liczbę kubitów do obliczenia energii stanu podstawowego, czyli najniższego stanu energetycznego w fizyce kwantowej.

Komputery kwantowe są coraz lepsze, ale wciąż jest stosunkowo niewiele ich zastosowań w życiu codziennym. Aby pokonać tę przeszkodę, naukowcy tworzą różne algorytmy ułatwiające przejście z komputerów klasycznych do kwantowych. W Nature opisano algorytm, który redukuje szum generowany przez kubity podczas rozwiązywania równań chemicznych.

Algorytm został opracowany przez prof. Davida Reichmana z Uniwersytetu Columbia i docenta Joonho Lee z Google Quantum AI. W badaniu naukowcy użyli część z 53 kubitów procesora kwantowego Sycamore do obliczenia energii stanu podstawowego, czyli najniższego stanu energetycznego cząsteczki.

Są to najważniejsze obliczenia z dziedziny chemii kwantowej, jakie kiedykolwiek wykonano na prawdziwym urządzeniu kwantowym. Obliczenie energii stanu podstawowego pozwoli naukowcom na opracowanie nowych materiałów, np. takich, które przyspieszą wiązanie azotu w rolnictwie i hydrolizę.

prof. David Reichman

Algorytm wykorzystuje kwantową metodę Monte Carlo, czyli system metod obliczania prawdopodobieństwa dotyczących dużej liczby losowych, nieznanych zmiennych (jak w grze w ruletkę). Naukowcy użyli go do wyznaczenia energii stanu podstawowego trzech cząsteczek: heliocydu (H4) – 8 kubitów; azotu cząsteczkowego (N2) – 12 kubitów; oraz litego diamentu – 16 kubitów.

Na energię stanu podstawowego wpływają takie zmienne, jak liczba elektronów w cząsteczce, kierunek ich rotacji oraz droga, którą poruszają się po orbicie wokół jądra. Energia ta jest zakodowana w równaniu Schrodingera – jego rozwiązanie na klasycznym komputerze staje się wykładniczo trudniejsze wraz ze wzrostem rozmiarów cząsteczek. Komputery kwantowe mogą ułatwić te obliczenia.

Czytaj też: Komputer kwantowy Sycamore stworzył kryształ czasu

Kubity występujące w komputerach kwantowych (odpowiedniki zer i jedynek) są jednak kruche i podatne na błędy. Im więcej kubitów wykorzystamy, tym mniejsza dokładność odpowiedzi. Algorytm Lee wykorzystuje połączoną moc komputerów klasycznych i kwantowych do bardziej efektywnego rozwiązywania równań chemicznych przy jednoczesnym zminimalizowaniu błędów komputera kwantowego.

To najlepsze z obu światów. Wykorzystaliśmy narzędzia, którymi już dysponowaliśmy, a także narzędzia, które są uważane za najnowocześniejsze w informatyce kwantowej, aby udoskonalić kwantową chemię obliczeniową.

Joonho Lee

Przeprowadzone obliczenia klasyczno-kwantowe w nowym badaniu okazały się równie dokładne jak niektóre z najlepszych metod klasycznych. Zespół Lee będzie nadal udoskonalać algorytm.