Oak Ridge -tutkijat käyttävät kvanttitietokonetta aurinkokennojen tutkimukseen – korkean suorituskyvyn laskennan uutisanalyysi | HPC:n sisällä

Oak Ridge National Laboratory on ilmoittanut, että laboratorion tutkijat käyttivät Quantinuum H1-1 kvanttitietokone ei vain osoittanut parhaita käytäntöjä tieteelliseen laskemiseen nykyisissä kvanttijärjestelmissä, vaan myös tuottanut laboratorion mukaan kiehtovan tieteellisen tuloksen.

Hanketta rahoitti DOE:n Energian perustieteiden toimisto. Pääsy kohteeseen H1-1, Quantinuumin rakentama yrityskäyttöön sopiva kvanttitietokone (Honeywellin ja Cambridge Quantumin vuonna 2021 perustama) toimitti Quantum Computing -käyttäjäohjelma Oak Ridge Leadership Computing Facilityssä, DOE Office of Sciencen käyttäjälaitoksessa.

Mallinnoimalla singlettifissiota – jossa molekyylin yhden valon fotonin absorptio tuottaa kaksi virittyvää tilaa – ryhmä vahvisti, että lineaarinen H₄ molekyylin energiatasot vastaavat fissioprosessin vaatimuksia. Lineaarinen H₄ molekyyli on yksinkertaisesti molekyyli, joka koostuu neljästä vetyatomista, jotka on järjestetty lineaarisesti. Molekyylin energiatasot ovat kunkin ilmiöön, kuten singlettifissioon, osallistuvan kvanttitilan energiat ja kuinka ne liittyvät toisiinsa ja vertautuvat toisiinsa. Se tosiasia, että lineaarisen molekyylin energiatasot edistävät singlettifissiota, voi osoittautua hyödylliseksi tiedoksi yleisessä pyrkimyksessä kehittää tehokkaampia aurinkopaneeleja.

"Tämä on yksi johtavista singlettifission motivoivista tekijöistä – tavanomaisten aurinkokennojen teoreettinen maksimihyötysuhde on noin 33 prosenttia, mutta on oletettu, että materiaalit, joissa esiintyy singlettifissiota, voivat rikkoa tämän rajan ja olla tehokkaampia", Daniel sanoi. Claudino, tutkija ORNL:n Quantum Computational Science -ryhmässä ja projektin päätutkija. ”Haittapuolena on, että on erittäin vaikeaa ymmärtää pohjimmiltaan, esiintyykö tietyssä materiaalissa singlettifissiota. Siinä on erityinen energiavaatimus, ja on vaikea löytää materiaaleja, jotka täyttävät sen.”

ORNL-tiimin lähestymistapa kvanttitietokoneen käyttöön tarjoaa korkean tarkkuuden ja hallittavissa olevien laskennallisten kustannusten ansiosta tehokkaan simulointimenetelmän sellaisten molekyylien tunnistamiseksi, jotka osoittavat singlettifissio-ominaisuuksia ohittaen klassisissa tietokoneissa yleisesti käytetyt tekniikat. Sen työn tulokset olivat julkaistu Journal of Physical Chemistry Letters.

Singlettifissio on monitilailmiö, joten ORNL-tiimi tarvitsi laskennallisen menetelmän, joka voisi kuvata kaikki prosessin kvanttitilat tasavertaisesti tarkkojen energeettisten lukujen laskemiseksi. He kääntyivät puoleen PDS, joka on Peeters-Devreese-Soldatov-lähestymistapaan perustuva kvanttiratkaisin, joka on kehitetty Pacific Northwest National Laboratoryssa.

PDS:llä on joitain etuja verrattuna klassisiin strategioihin materiaalin energeettisten ominaisuuksien määrittämisessä, mukaan lukien paljon suurempi tarkkuus kuin tiheysfunktionaaliteoria ja vähemmän laskentavaatimuksia kuin kytketty klusteriteoria. Ja koska se kehitettiin parantamaan kvanttikemian simulaatioiden tarkkuutta ja tehokkuutta, PDS soveltuu hyvin hyödyntämään kvanttitietokoneiden mahdollisia etuja.

"Singlettifission energia pyörii kaksoiselektroniviritteiden ympärillä - kaksi elektronia liikkuu korkeammalle energiatasolle samanaikaisesti, mikä on melko vaikeaa selvittää perinteisten tietokoneiden algoritmeilla", Claudino sanoi. "Mutta kvanttitietokoneen toiminnan taustalla on se, että se voi luonnollisesti käsitellä kvanttikorrelaatioita, jotka aiheuttavat tämän singlettifissioilmiön. Silloin tulimme käsitykseen, että "kyllä, meidän pitäisi käyttää kvanttitietokonetta käsitelläksemme jotain, joka on luonnostaan ​​kvantti". Se on hyvin tiedossa. Mutta uskon, että olimme ensimmäiset, jotka tajusivat, että sillä oli sovellus tähän erityiseen ongelmaan."

Quantum computing — tekniikka, joka on vielä kehitysvaiheessa verrattuna klassisiin supertietokoneisiin, kuten OLCF:n exascale-luokkaan Raja — käyttää kvanttibittejä eli kubitteja laskelmien suorittamiseen. Toisin kuin klassisissa tietokoneissa käytetyt binääribitit, kubitit ylittävät ykkösiä ja nollia käyttääkseen myös arvoja 1 ja 0 samanaikaisesti seka-superpositiossa, mikä lisää eksponentiaalisesti sen käsittelytehoa tietyille yhtälöille, kuten kvanttimekaniikkaan perustuville yhtälöille. Kvanttitietokonejärjestelmät ovat kuitenkin edelleen alttiita korkeille virhetasoille, ja tiimin piti kompensoida tämä haaste saavuttaakseen luotettavia tuloksia.

"On parempi tehdä paljon enemmän mittauksia, jotta voimme olla varmoja virheiden kiertämisestä, mutta silloin emme pystyisi suorittamaan tätä algoritmia ajoissa", Claudino sanoi. ”Silloin keksimme mittausten optimoinnin pudottaaksemme laskelmiemme koon laskenta-ajan kannalta kohtuulliseksi. Siirryimme jostain kohtuuttoman suuresta sellaiseen, joka soveltui kvanttilaitteistoon."

ORNL-tiimin jäsenet käyttivät kolmea itsenäistä strategiaa vähentääkseen projektinsa laskennallista työmäärää, mikä lyhensi ratkaisuun kuluvaa aikaa kuukausista muutamaan viikkoon. Ensinnäkin kubittien kapenemiseksi kutsutussa tekniikassa he vähensivät ongelman ilmaisemiseen tarvittavien kubittien määrää, mikä pienensi itse ongelman kokoa. Toiseksi he tekivät vähemmän mittauksia ongelman ratkaisemiseksi mittaamalla termiryhmiä kerran sen sijaan, että mittasivat jokaista yksittäistä termiä jokaisesta ryhmästä (prosessi, jota kutsutaan qubit-wise kommutatiiviseksi). Kolmanneksi, sen sijaan, että jokainen piiri olisi toteutettu erikseen, he löysivät tavan ajaa neljää piiriä rinnakkain, jolloin he voivat käyttää kaikkia 20 kubittia H1-1:ssä. Kuvitus: Adam Malin/ORNL.

ORNL-tiimin jäsenet käyttivät kolmea itsenäistä strategiaa vähentääkseen ongelman laskennallista työmäärää, mikä lyhensi ratkaisuun kuluvaa aikaa kuukausista muutamaan viikkoon. Ensinnäkin kubittien kapenemiseksi kutsutussa tekniikassa he vähensivät ongelman ilmaisemiseen tarvittavien kubittien määrää, mikä pienensi itse ongelman kokoa. Toiseksi he tekivät vähemmän mittauksia ongelman ratkaisemiseksi mittaamalla termiryhmiä kerran sen sijaan, että mittasivat jokaista yksittäistä termiä jokaisesta ryhmästä. Kolmanneksi, sen sijaan, että jokainen piiri olisi toteutettu erikseen, he löysivät tavan ajaa neljää piiriä rinnakkain, jolloin he voivat käyttää kaikkia 20 kubittia H1-1:ssä.

"Ymmärsimme, että jos haluamme vain heittää tämän koko asian kvanttitietokoneeseen, se ei toimi, koska se on edelleen liikaa nykyiselle teknologialle. Ajatuksena on, että haluat kuvitella tavan hyödyntää kvanttitietokonetta, mutta vain tiettyihin tehtäviin, joiden tiedämme pystyvän suorittamaan paremmin kuin perinteiset tietokoneet, Claudino sanoi. "Mutta silloinkin sinua rajoittaa nykyinen tekniikan taso, jonka ansiosta voimme vain joko nousta tiettyyn kokoon tai suorittaa tehtäviä, jotka vievät vain niin kauan. Se on suurin pullonkaula kvanttitietokoneiden parissa.

ORNL-ryhmän projekti osoitti nykyisten kvanttitietokoneiden elinkelpoisuuden ratkaista tieteellisiä ongelmia, jotka voivat vaikuttaa jokapäiväiseen elämään. Vaikka Claudino ei aio käsitellä singlettifissioa pian uudelleen, hänen tiiminsä harkitsee muita ongelmia - kuten "aineen ja valon vuorovaikutusta" - jotka voidaan ratkaista käyttämällä tässä projektissa esiteltyjä kvanttilaskentatekniikoita.

”Vaikka käyttämämme lähestymistavat on julkaistu aiemmin, sanoisin, että ne ovat kaukana laajalti omaksumisesta. Uskon, että kannatamme vahvasti tällaisten lähestymistapojen käyttöä”, Claudino sanoi. "Tutkijoiden tulee olla tietoisia siitä, että he saattavat tuhlata kvanttiresursseja ja mahdollisesti lisätä virheitä simulaatioissaan, jos he eivät hyödynnä näitä tekniikoita."

Aiheeseen liittyvä julkaisu:
Claudino, D., et. al., "Modeling Singlet Fission on a Quantum Computer", Journal of Physical Chemistry Letters (2023); https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c01106

lähde: Coury Turczyn, ORNL

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. Autot / sähköautot, hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• BlockOffsets. Ympäristövastuun omistuksen nykyaikaistaminen. Pääsy tästä.
• Lähde: https://insidehpc.com/2023/07/oak-ridge-scientists-use-quantum-computer-for-solar-cell-research/