Проведено первое в мире квантовое компьютерное моделирование химических связей

Международная группа исследователей достигла первой в мире мульти-кубитовой демонстрации вычисления квантовой химии, выполненной на системе захваченных ионов, одной из ведущих аппаратных платформ в гонке по разработке универсального квантового компьютера.

Исследование, проведенное физиком Университета Сиднея доктором Корнелиусом Хемпелем, исследует перспективный путь для разработки эффективных способов моделирования химических связей и реакций с использованием квантовых компьютеров. Оно опубликовано в научном издании Physical Review X.

«Даже крупнейшие суперкомпьютеры изо всех сил пытаются точно моделировать любую, но самую основную химию. Однако квантовые компьютеры, имитирующие природу, открывают совершенно новый способ понимания материи. Они предоставят нам новый инструмент для решения проблем в области материаловедения, медицины и промышленной химии с использованием моделирования» — говорят исследователи.

С квантовыми вычислениями, которые еще находятся в зачаточном состоянии, остается неясным, какие именно проблемы эти устройства будут наиболее эффективно решать, но большинство экспертов согласны с тем, что квантовая химия станет одним из первых приложений этой возникающей технологии.

Квантовая химия — это наука о понимании сложных связей и реакций молекул с использованием квантовой механики. «Движущиеся части» всего, кроме самых простых химических процессов, превосходят возможности даже самых больших и самых быстрых суперкомпьютеров.

Путем моделирования и понимания этих процессов с использованием квантовых компьютеров ученые ожидают разблокировать пути более низких энергий для химических реакций, позволяя создавать новые катализаторы. Это будет иметь огромное значение для таких отраслей, как например, производство удобрений.

Другие возможные применения включают в себя разработку органических солнечных элементов и улучшенных батарей за счет улучшения материалов и использования новых идей для разработки персонализированных лекарств.

Работая с коллегами в Институте квантовой оптики и квантовой информации в Инсбруке, Австрия, д-р Хемпель использовал только четыре кубита на 20-кубитном устройстве для запуска алгоритмов для моделирования энергетических связей молекулярного водорода и гидрида лития.

Эти относительно простые молекулы были выбраны, потому что они хорошо поняты и имитируются с использованием классических компьютеров. Это позволяет ученым проверять результаты, полученные от разрабатываемых квантовых компьютеров.

Вместо того, чтобы стремиться к самому точному или самому большому моделированию на сегодняшний день, работа доктора Хемпеля была сосредоточена на том, что может пойти не так в перспективном квантово-классическом гибридном алгоритме, известном как вариационный квантовый эйгенсоллер или VQE.

Рассматривая различные способы кодирования проблем химии, исследователи используют способы подавления ошибок, возникающих в современных несовершенных квантовых компьютерах, и стоят на пути к ближайшей полезности этих машин.

«Квантовая химия — пример, когда преимущества квантового компьютера очень скоро проявятся в практических приложениях» — говорят ученые.

Больше информации: Quantum Chemistry Calculations on a Trapped-Ion Quantum Simulator, Physical Review X (2018). DOI: 10.1103/PhysRevX.8.031022