"Теоретически квантовые компьютеры можно было бы использовать для обработки случаев, когда электроны и атомные ядра движутся более сложными способами. Если мы сможем научиться использовать их потенциал в полной мере, мы сможем расширить границы того, что возможно рассчитать и понять", - говорит Мартин Рам, доцент кафедры теоретической химии факультета химии и химической инженерии, который руководил исследованием.

В области квантовой химии законы квантовой механики используются для понимания того, какие химические реакции возможны, какие структуры и материалы могут быть созданы и какими характеристиками они обладают. Такие исследования обычно проводятся с помощью суперкомпьютеров, построенных на основе обычных логических схем. Однако существует предел, с которым могут справиться вычисления, выполняемые обычными компьютерами. Поскольку законы квантовой механики описывают поведение природы на субатомном уровне, многие исследователи считают, что квантовый компьютер должен быть лучше оснащен для выполнения молекулярных вычислений, чем обычный компьютер.

"Большинство вещей в этом мире по своей сути являются химическими. Например, наши энергоносители, как в биологии, так и в старых или новых автомобилях, состоят из электронов и атомных ядер, расположенных по-разному в молекулах и материалах. Некоторые из проблем, которые мы решаем в области квантовой химии, заключаются в том, чтобы вычислить, какие из этих схем более вероятны или выгодны, а также их характеристики", - говорит Мартин Рам.

Новый метод сводит к минимуму ошибки в квантово-химических расчетах

Еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем квантовые компьютеры смогут достичь того, к чему стремятся исследователи. Эта область исследований все еще молода, и выполняемые расчеты небольших моделей осложняются шумом, исходящим от окружения квантового компьютера. Однако Мартин Рам и его коллеги теперь нашли метод, который они рассматривают как важный шаг вперед. Метод называется смягчением ошибок эталонного состояния (REM) и работает путем исправления ошибок, возникающих из-за шума, с использованием вычислений как квантового, так и обычного компьютера.

"Это исследование является доказательством того, что наш метод может улучшить качество квантово-химических расчетов. Это полезный инструмент, который мы будем использовать для улучшения наших вычислений на квантовых компьютерах в будущем", - говорит Мартин Рам.

Принцип, лежащий в основе метода, заключается в том, чтобы сначала рассмотреть эталонное состояние путем описания и решения одной и той же задачи как на обычном, так и на квантовом компьютере. Это эталонное состояние представляет собой более простое описание молекулы, чем исходная задача, которую предполагалось решить с помощью квантового компьютера. Обычный компьютер может быстро решить эту более простую версию проблемы. Сравнивая результаты с обоих компьютеров, можно точно оценить величину ошибки, вызванной шумом. Разница между решениями двух компьютеров для эталонной задачи затем может быть использована для исправления решения исходной, более сложной задачи, когда оно выполняется на квантовом процессоре. Объединив этот новый метод с данными квантового компьютера Чалмерса Särimner*, исследователям удалось вычислить внутреннюю энергию небольших молекул, таких как водород и гидрид лития. Эквивалентные вычисления могут быть выполнены быстрее на обычном компьютере, но новый метод представляет собой важную разработку и является первой демонстрацией квантово-химических расчетов на квантовом компьютере в Швеции.

"Мы видим хорошие возможности для дальнейшего развития метода, позволяющего проводить расчеты более крупных и сложных молекул, когда будет готово следующее поколение квантовых компьютеров", - говорит Мартин Рам.

Квантовый компьютер, построенный в Чалмерсе

Исследование проводилось в тесном сотрудничестве с коллегами из департамента микротехнологий и нанонаук. Они построили квантовые компьютеры, которые используются в исследовании, и помогли выполнить 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 улучшить. Химические расчеты - одна из первых областей, где, по нашему мнению, квантовые компьютеры будут полезны, поэтому наше сотрудничество с группой Мартина Рама особенно ценно", - говорит Йонас Байландер, адъюнкт-профессор квантовых технологий на кафедре микротехнологии и нанонауки.

Подробнее об исследовании

Прочитайте статью "Устранение ошибок эталонного состояния: стратегия высокоточных квантовых вычислений химии в Журнал химической теории и вычислений.

Статья написана Пхалгуном Лолуром, Мартеном Скогом, Вернером Добрауцем, Кристофером Уорреном, Янкой Бизнаровой, Амром Османом, Джованной Танкреди, Йораном Вендином, Йонасом Байландером и Мартином Рамом. Исследователи активно работают в Технологическом университете Чалмерса.

Исследование было проведено в сотрудничестве с Центром квантовых технологий Валленберга (WACQT) и европейским проектом OpensuperQ. OpensuperQ объединяет университеты и компании в 10 европейских странах с целью создания квантового компьютера, и его расширение будет способствовать дальнейшему финансированию исследователей из Чалмерса за их работу с квантово-химическими вычислениями.

* Särimner - это название квантового процессора с пятью кубитами, или квантовыми битами, построенного Чалмерсом в рамках Центра квантовых технологий Валленберга (WACQT). Его название заимствовано из скандинавской мифологии, в которой свинью Сэримнер забивали и съедали каждый день только для того, чтобы воскресить. Särimner теперь заменен более крупным компьютером с 25 кубитами, и целью WACQT является создание квантового компьютера со 100 кубитами, который может решать задачи, намного превосходящие возможности лучших современных обычных суперкомпьютеров.