Ожидается, что квантовые компьютеры смогут решать сложные математические задачи за рекордно короткое время. Поэтому ожидается, что они откроют новые возможности во многих отраслях промышленности, включая химическую, где они могут помочь в разработке новых лекарств или моделировании поведения новых материалов. Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции объявили о том, что они впервые использовали квантовый компьютер для проведения высокоточных молекулярных расчетов.
В квантовой химии исследователи используют законы квантовой механики, чтобы понять, какие химические реакции возможны, какие структуры и материалы могут быть разработаны и каковы их характеристики. Цель? Определить наиболее выгодные молекулярные схемы. Для этого обычно используются суперкомпьютеры, основанные на обычных логических схемах. Но даже эти необычные машины ограничены. Поскольку законы квантовой механики посвящены явлениям, происходящим в атомном и субатомном масштабе, многие исследователи считают, что квантовый компьютер может лучше подходить для такого рода расчетов.
«Квантовые компьютеры теоретически могут быть использованы для решения задач, в которых электроны и атомные ядра движутся более сложным образом. Если мы сможем полностью использовать их потенциал, мы сможем расширить границы того, что можно рассчитать и понять«, — объясняет Мартин Рам, доцент кафедры теоретической химии факультета химии и химического машиностроения. Хотя квантовые вычисления достигли больших успехов в последние годы, кубиты все еще очень уязвимы к возмущениям в окружающей среде, что приводит к ошибкам в вычислениях. Рам и его коллеги разработали метод исправления этих ошибок, связанных с шумом.
Точность на два порядка выше
Одной из основных проблем практических квантовых вычислений в химии является чувствительность квантовых устройств к шумам. Ошибки из-за шума могут быть вызваны несколькими факторами, такими как спонтанная эмиссия, несовершенство контроля и измерения, а также нежелательная связь с окружающей средой, объясняют исследователи. Поэтому для улучшения качества измерений было разработано несколько методов уменьшения ошибок.
Их метод, названный «Смягчение ошибок эталонного состояния» (REM), применим в широком диапазоне интенсивности шума, недорог и может быть совмещен с другими методами смягчения, говорит команда. Он основан на том, что они называют «эталонным состоянием», которое представляет собой более простое описание молекулы, чем исходная задача, решаемая квантовым компьютером. Это эталонное состояние получается путем решения одной и той же задачи как на квантовом компьютере, так и на обычном компьютере.
Последний может быстро решить упрощенную версию задачи. Сравнивая результаты, полученные на двух компьютерах, исследователи могут точно оценить количество ошибок, вызванных шумом в расчетах, выполненных квантовым компьютером. Разница между результатами затем используется для корректировки решения исходной, более сложной задачи при запуске на квантовом процессоре.
Рам и его команда применили этот новый метод, выполнив расчеты на квантовом компьютере Särimner в Чалмерсе — квантовом процессоре с пятью кубитами. Они смогли рассчитать энергию основного состояния нескольких небольших молекул, таких как дигидроген или гидрид гелия, с высокой точностью и сообщили об улучшении точности на два порядка (при совместном использовании метода смягчения ошибок считывания).
Метод ослабления, который не требует дополнительных затрат
Эквивалентные расчеты могут быть выполнены быстрее на обычном компьютере, но этот новый метод представляет собой значительное развитие и является первой демонстрацией расчета квантовой химии на квантовом компьютере в Швеции, говорится в заявлении университета. «Метод REM значительно повышает вычислительную точность, с которой можно рассчитать полные энергии молекул, используя нынешнее квантовое оборудование«, — заключают исследователи.
Подобное использование в реальных условиях помогает лучше понять, как работает квантовый компьютер, и определить пути его усовершенствования. «Это является доказательством того, что наш метод может улучшить качество расчетов в квантовой химии. Это полезный инструмент, который мы будем использовать для улучшения наших расчетов на квантовом компьютере в будущем«, — сказал Мартин Рам. Он и его коллеги сосредоточились здесь на небольших молекулах (H2, HeH+, LiH, BeH2), но они считают, что метод может быть усовершенствован для гораздо более сложных молекулярных расчетов, которые будут выполняться следующим поколением квантовых компьютеров.
Они отмечают, что ни один метод уменьшения шума не решит проблему шума полностью, и метод REM не является исключением. Но одним из его достоинств является возможность комбинирования с другими методами подавления ошибок без дополнительных затрат (он не требует значительных накладных расходов на классические или квантовые вычисления).
Исследование проводилось в тесном сотрудничестве с коллегами с кафедры микроинженерии и нанонауки, которые построили квантовые компьютеры, использованные в исследовании, и помогли провести чувствительные измерения, необходимые для расчетов. «Химические расчеты — одна из первых областей, где, по нашему мнению, квантовые компьютеры будут полезны, поэтому наше сотрудничество с группой Мартина Рама особенно ценно«, — сказал Йонас Байландер, доцент кафедры квантовых технологий факультета микроинженерии и нанонауки.