أحدث ما توصلت إليه كيمياء الكم في عام 2022

كيمياء الكم صعبة للغاية. يبدو أن أفضل كيمياء حوسبة كمومية تكون عند مستوى 12 كيوبت / 12 ذرة. يمكن لمحاكاة الحواسيب العملاقة التعامل مع 20 كيوبت و 20 ذرة محاكاة. هناك أوراق بحثية مبكرة تشير إلى أن الحواسيب الفائقة الكلاسيكية يمكنها الوصول إلى 100 ذرة و 1000 كيوبت لبعض أنواع المحاكاة. تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية على دفع ما يصل إلى 35 أيونًا محاصرًا عالي الدقة ، وهناك عمل لتحقيق التخفيف الفائق للخطأ وقمع الأخطاء وتصحيح الأخطاء في نهاية المطاف باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية. تتواصل الاختراقات في الخوارزميات للحواسيب الفائقة والأنظمة الكمومية ، وهناك العديد من المنافسين الذين لديهم تقنيات كمية مختلفة يتطلعون إلى تحقيق اختراقات لتتسع لآلاف وملايين من الكيوبتات ولتطوير إدارة أخطاء متفوقة وأكثر كفاءة.

كانت هناك ورقة بحثية في عام 2022 حيث تم إجراء محاكاة كمية على كمبيوتر Sunway العملاق. في المرحلة الحالية ، تعد المحاكاة الكلاسيكية للحساب الكمي أمرًا بالغ الأهمية لدراسة الخوارزميات الكمومية وبنيات الحوسبة الكمومية ، خاصة بالنسبة لخوارزميات الكم الاستدلالية مثل VQE. أكبر تجربة VQE تم إجراؤها على جهاز كمبيوتر كمي حتى الآن استخدمت 12 كيوبت. من المتوقع أن تظهر ميزة حسابية كمومية ذات صلة صناعية في كيمياء الكم عند حوالي 38-N-68 كيوبت (في ظل افتراض تصحيح أخطاء كيوبت) ، والتي تتعلق بمشكلة بنية إلكترونية بما في ذلك
19 ≤ N 34 إلكترونًا.

مقارنةً بـ RQC (دوائر الكم العشوائية) ، فإن VQE (متغير eigensolver الكمومي) أكثر تطلبًا لكل من أجهزة الكمبيوتر الكمومية والكلاسيكية ، على سبيل المثال ، عدد بوابات CNOT المشاركة في محاكاة كيمياء حسابية كمومية نموذجية بسرعة تتجاوز المليون مع الاستخدام الشائع ansatz ذات الدوافع الجسدية مثل الكتلة المزدوجة المزدوجة (UCC). علاوة على ذلك ، يجب تنفيذ الدائرة الكمومية البارامترية عدة مرات كما هو معتاد في الخوارزميات المتغيرة. تحد هذه التأثيرات من معظم التحقيقات الحالية لـ VQE باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية إلى مشاكل صغيرة جدًا (أقل من 1 كيوبت). يعد إطلاق العنان للغة برمجة Julia في معماريات Sunway وتشغيلها بكفاءة أكثر من 20 مليون مركز مهمة صعبة للغاية. وضع عمل 20 معيارًا للمحاكاة الكلاسيكية واسعة النطاق للكيمياء الحاسوبية الكمومية ، ومهد الطريق لمقارنة تطبيقات VQE على أجهزة الكمبيوتر الكمومية الصاخبة على المدى القريب.

الكيمياء Q2 مناسبة لمحاكاة واسعة النطاق للكيمياء الحسابية الكمية ، بناءً على مزيج من نظرية تضمين مصفوفة الكثافة وحالات منتج المصفوفة لتقليل حجم الذاكرة الأسي مقابل حجم النظام ؛ تم تنفيذ مخطط موازاة مخصص من ثلاثة مستويات وفقًا لطبيعة المشكلة المادية والبنية متعددة النواة ؛ تُستخدم Julia كلغة أساسية تجعل البرمجة أسهل وتتيح أداءً متطورًا قريبًا من لغة C الأصلية أو Fortran ؛ تمت دراسة الأنظمة الكيميائية الحقيقية لإثبات قوة كيمياء Q2 في القياس الكمي الحسابي لتفاعلات بروتين رابطات البروتين. على حد علمهم ، هذه هي أول محاكاة للكيمياء الحسابية الكمومية تم الإبلاغ عنها
حساب لنظام كيميائي حقيقي يحتوي على ما يصل إلى 100 ذرة و 1000 كيوبت باستخدام DMET-MPS-VQE (و 200 كيوبت باستخدام MPS-VQE) ، ويتراوح حجمه إلى حوالي 20 مليون مركز. هذا يمهد الطريق للمقارنة مع المدى القريب
تجارب VQE على أجهزة الكمبيوتر الكمومية مع حوالي 100 كيوبت.

أظهرت دراسة جديدة أنه بالنسبة للمشكلات التي تهم العالم الحقيقي ، مثل حساب حالات الطاقة لمجموعة من الذرات ، المحاكاة الكمومية ليست أكثر دقة حتى الآن من تلك المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

تظهر نتائج الدراسة مدى قرب أجهزة الكمبيوتر الكمومية من أن تصبح أدوات محاكاة ذرية وجزيئية مفيدة للكيميائيين وعلماء المواد.

أجرى جارنت تشان من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وزملاؤه محاكاة لجزيء ومادة باستخدام معالج Google سعة 53 كيلوبت يسمى ويبر ، استنادًا إلى Sycamore.

اختار الفريق مشكلتين مهمتين حاليًا ، دون أي اعتبار لمدى ملاءمتهما للدائرة الكمومية. الأول يتضمن حساب حالات الطاقة لمجموعة مكونة من 8 ذرات من الحديد (Fe) والكبريت (S) الموجودة في النواة التحفيزية لإنزيم النيتروجيناز. هذا الإنزيم يكسر الروابط القوية في جزيئات النيتروجين كخطوة أولى في عملية بيولوجية مهمة تسمى تثبيت النيتروجين. يمكن أن يكون فهم كيمياء هذه العملية مفيدًا في تطوير محفزات تثبيت النيتروجين الاصطناعي للصناعة الكيميائية.

أحد العقبات الرئيسية أمام عمليات المحاكاة الكمومية الدقيقة هو الضوضاء - أخطاء عشوائية في كل من تبديل "البوابات" التي تؤدي عمليات منطقية كمومية وفي قراءة حالات إخراجها. تتراكم هذه الأخطاء وتحد من عدد عمليات البوابة التي يمكن للحساب أن يسنها قبل أن تهيمن الضوضاء. وجد الباحثون أن عمليات المحاكاة بأكثر من 300 بوابة طغت عليها الضوضاء. ولكن كلما كان النظام أكثر تعقيدًا ، زادت الحاجة إلى المزيد من البوابات. تحتوي مجموعة Fe-S ، على سبيل المثال ، على تفاعلات طويلة المدى بين الدورات ؛ لكي يتم تمثيلها بدقة ، تتطلب مثل هذه التفاعلات العديد من البوابات.

قدمت عمليات المحاكاة تنبؤات لأطياف الطاقة لمجموعة Fe-S والسعة الحرارية لـ 𝛼-RuCl3 بشكل معقول - ولكن فقط إذا لم تكن الأنظمة المحاكاة كبيرة جدًا. بالنسبة إلى 𝛼-RuCl3 ، لم يتمكن الفريق إلا من الحصول على نتائج ذات مغزى لقطعة صغيرة جدًا مكونة من 6 ذرات من الشبكة البلورية ؛ إذا زادوا الحجم إلى 10 ذرات فقط ، فإن الضوضاء طغت على الناتج. والقيود المفروضة على عمليات البوابة تعني أنه يمكن استخدام حوالي خمس موارد ويبر الكمومية فقط للحساب.

أحدث ما توصلت إليه كيمياء الكم على IonQ Trapped Ion

اجتذبت الحوسبة الكمية اهتمامًا كبيرًا لقدرتها على حل بعض المشكلات الحسابية بشكل أكثر كفاءة من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، خاصة منذ أن أطلقت شركة IBM أول كمبيوتر كمي يمكن الوصول إليه عبر السحابة وأظهرت Google ميزة كمية. أحد أكثر تطبيقاته الواعدة هو حل مشاكل البنية الإلكترونية بكفاءة: للتوضيح ، ضع في اعتبارك أنه بالنسبة لمشكلة تحتوي على مدارات تدور N ، فإن عدد البتات الكلاسيكية المطلوبة لتمثيل مقاييس دالة الموجة بشكل اندماجي مع N ، بينما على الكم.
الكمبيوتر مطلوب فقط N كيوبت. حفزت الميزة الأسية التي تقدمها أجهزة الكمبيوتر الكمومية قدرًا كبيرًا من البحث في تطوير خوارزميات الكم لحل مشكلة البنية الإلكترونية.

تم تصميم خوارزمية eigensolver الكم المتغير (VQE) خصيصًا لأجهزة الكمبيوتر الكمومية متوسطة المدى (NISQ) الحالية على المدى القريب. تقدر VQE الحالة الأساسية للنظام من خلال تنفيذ دائرة ضحلة ذات معلمات ، والتي تم تحسينها تقليديًا لتقليل قيمة توقع الطاقة بشكل متغير. تسمح خوارزمية VQE للمستخدم بتحديد شكل الدائرة ذات المعلمات.

هناك ورقة بحثية من شركة الكمبيوتر الكمومية Trapped Ion التي تبلغ تكلفتها 2 مليار دولار. لقد حصلوا على رقم قياسي جديد مع 12 كيوبت و 72 معلمة. إذا لم أكن مخطئًا ، فقد تم تجاوز عمل Google بـ 10 ذرات والكيوبتات من خلال عمل IonQ هذا.

تقوم IonQ حاليًا باختبار 35 نظام أيون كيوبت محاصر. يجب أن يكون الأيون المحاصر قادرًا نظريًا على تحقيق كيوبتات كاملة جسديًا. ومع ذلك ، هناك مصادر أخرى للخطأ في النظام بأكمله.

يعمل كمبيوتر Sunway العملاق على الآلات الكلاسيكية التي تحاكي الذرات وسيستمر IonQ وأنظمة الكم الأخرى في المضي قدمًا والسباق لمحاكاة أنظمة ذرية وجزيئية فيزيائية أكبر وأكبر.

المحاكاة المدارية المحسّنة للإلكترون المرتبط بالزوج على أجهزة الكمبيوتر الكمومية المحاصرة الأيونات

تعتبر مذيبات eigensolvers الكم المتغيرة (VQE) من بين أكثر الأساليب الواعدة لحل مشاكل البنية الإلكترونية على أجهزة الكمبيوتر الكمومية على المدى القريب. يتمثل أحد التحديات الحاسمة لـ VQE في الممارسة العملية في أن المرء يحتاج إلى تحقيق توازن بين تعبير VQE ansatz مقابل عدد البوابات الكمية المطلوبة لتنفيذ ansatz ، نظرًا لواقع العمليات الكمومية الصاخبة على أجهزة الكمبيوتر الكمومية على المدى القريب. في هذا العمل ، نعتبر تقريبًا مرتبطًا بالزوج محسنًا مداريًا للمجموعة الموحدة المقترنة مع الفردي والمزدوج (uCCSD) ansatz ونبلغ عن تنفيذ دارة كمية عالية الكفاءة لمعماريات الأيونات المحاصرة. نظهر أن التحسين المداري يمكن أن يستعيد طاقة ارتباط إلكترونية إضافية كبيرة دون التضحية بالكفاءة من خلال قياسات مصفوفات الكثافة المنخفضة الرتبة (RDM). في تفكك الجزيئات الصغيرة ، تعطي الطريقة تنبؤات دقيقة نوعياً في النظام المترابط بشدة عند العمل على محاكيات كمومية خالية من الضوضاء. على حواسيب IonQ's Harmony و Aria trapped-ion الكمومية ، نقوم بتشغيل خوارزميات VQE من طرف إلى طرف مع ما يصل إلى 12 كيوبت و 72 معلمة متغيرة - أكبر محاكاة VQE كاملة مع دالة موجية مرتبطة على الأجهزة الكمومية. وجدنا أنه حتى بدون تقنيات تخفيف الأخطاء ، فإن الطاقات النسبية المتوقعة عبر الأشكال الهندسية الجزيئية المختلفة في اتفاق ممتاز مع المحاكيات الخالية من الضوضاء.

هل هناك دليل على ميزة الكم الأسية في كيمياء الكم.

ملخص
عادة ما تُنسب فكرة استخدام الأجهزة الميكانيكية الكمومية لمحاكاة أنظمة كمومية أخرى إلى Feynman. منذ الاقتراح الأصلي ، ظهرت مقترحات ملموسة لمحاكاة الكيمياء الجزيئية والمواد من خلال الحساب الكمي ، باعتباره "تطبيقًا قاتلًا" محتملاً. زادت مؤشرات الميزة الكمية الأسية المحتملة في المهام الاصطناعية من الاهتمام بهذا التطبيق ، وبالتالي ، من الأهمية بمكان فهم أساس الميزة الكمية الأسية المحتملة في كيمياء الكم. هنا نجمع الأدلة على هذه الحالة في المهمة الأكثر شيوعًا في كيمياء الكم ، وهي تقدير طاقة الحالة الأرضية. نستنتج أن الدليل على هذه الميزة الأسية عبر الفضاء الكيميائي لم يتم العثور عليه بعد. بينما قد تظل أجهزة الكمبيوتر الكمومية مفيدة لكيمياء الكم ، فقد يكون من الحكمة افتراض أن التسريع الأسي غير متاح بشكل عام لهذه المشكلة.

قام باحثون من بيركلي وأماكن أخرى بفحص حالة فرضية الميزة الكمية الأسية (EQA) للمهمة المركزية لتحديد الحالة الأرضية في كيمياء الكم. تتطلب النسخة المحددة من EQA التي قاموا بفحصها أن يكون إعداد الحالة الكمومية سهلًا بشكل كبير مقارنة بالاستدلال الكلاسيكي ، وأن يكون الاستدلال الكلاسيكي صعبًا بشكل كبير. توضح عمليات المحاكاة العددية الخاصة بهم أن الاستدلال ضروري لتحقيق إعداد فعال لحالة الأرض الكمية. في الوقت نفسه ، لم يجدوا دليلاً على التدرج الأسي للاستدلال الكلاسيكي في مجموعة من المشكلات ذات الصلة. يشير الأخير إلى أنه يمكن جعل إعداد الحالة الكمومية فعالاً لنفس المشاكل. ومع ذلك ، نظرًا لأن EQA يعتمد على نسبة التكاليف ، فإن هذا لا يؤدي إلى EQA.

الحسابات العددية ليست دليلاً رياضيًا على التقارب فيما يتعلق بالحجم والخطأ ، ولا يمكنها استبعاد EQA في مشاكل محددة. ومع ذلك ، تشير نتائجهم إلى أنه بدون رؤى جديدة وأساسية ، قد يكون هناك نقص في EQA عام في هذه المهمة. لا يزال تحديد نظام كيميائي كمي ذي صلة مع وجود دليل قوي على EQA سؤالًا مفتوحًا. لم يفكروا في مهام أخرى غير تحديد الحالة الأرضية ، ولم يستبعدوا التعجيلات متعددة الحدود. اعتمادًا على الشكل الدقيق ، يمكن ربط تسريع الكم متعدد الحدود بميزة كمية مفيدة ، حتى أن الخوارزمية الكلاسيكية متعددة الحدود لا تعني أنه يمكن الحصول على الحلول في وقت عملي. قد يكون كلا الجانبين مهمًا في التطوير الإضافي لخوارزميات الكم في كيمياء الكم.