Kimia Kuantum Canggih pada tahun 2022

Kimia kuantum sangat sulit. Kimia komputasi kuantum terbaik tampaknya berada pada level 12 qubit / 12 atom. Simulasi superkomputer dapat menangani simulasi 20 qubit dan 20 atom. Ada makalah awal yang menyarankan superkomputer klasik dapat mencapai 100 atom dan 1000 qubit untuk beberapa jenis simulasi. Komputer kuantum mendorong hingga 35 ion yang terperangkap dengan ketelitian tinggi dan terdapat upaya untuk mencapai mitigasi kesalahan yang unggul dan penekanan kesalahan serta koreksi kesalahan pada akhirnya dengan komputer kuantum. Terobosan dalam algoritme untuk superkomputer dan sistem kuantum terus berlanjut dan terdapat banyak pesaing dengan teknologi kuantum berbeda yang ingin membuat terobosan untuk meningkatkan skala hingga ribuan dan jutaan qubit serta mengembangkan manajemen kesalahan yang unggul dan efisien.

Ada makalah pada tahun 2022 di mana simulasi kuantum pada superkomputer Sunway dilakukan. Pada tahap saat ini, simulasi klasik komputasi kuantum sangat penting untuk studi algoritma kuantum dan arsitektur komputasi kuantum, terutama untuk algoritma kuantum heuristik seperti VQE. Eksperimen VQE terbesar yang dilakukan pada komputer kuantum hingga saat ini telah menggunakan 12 qubit. Keunggulan komputasi kuantum yang relevan secara industri dalam kimia kuantum diperkirakan akan muncul pada sekitar 38 ≤ N ≤ 68 qubit (dengan asumsi qubit yang dikoreksi kesalahan), yang terkait dengan masalah struktur elektronik termasuk
19 ≤ N ≤ 34 elektron.

Dibandingkan dengan RQC (Random Quantum Circuits), VQE (variational quantum eigensolver) jauh lebih menuntut untuk komputer kuantum dan klasik, misalnya, jumlah gerbang CNOT yang terlibat dalam simulasi kimia komputasi kuantum dengan cepat melampaui 1 juta dengan yang umum digunakan. ansatz yang termotivasi secara fisik seperti unitary coupled-cluster (UCC). Selain itu, rangkaian kuantum parametrik harus dieksekusi berkali-kali seperti yang biasa terjadi pada algoritma variasional. Efek ini membatasi sebagian besar penyelidikan VQE saat ini menggunakan komputer klasik pada masalah yang sangat kecil (kurang dari 20 qubit). Meluncurkan bahasa pemrograman Julia pada arsitektur Sunway dan menjalankannya secara efisien pada lebih dari 20 juta core juga merupakan tugas yang sangat menantang. Pekerjaan pada tahun 2022 telah menetapkan standar untuk simulasi klasik kimia komputasi kuantum berskala besar, dan membuka jalan untuk melakukan benchmarking pada aplikasi VQE pada komputer kuantum berisik jangka pendek.

Kimia Q2 cocok untuk simulasi kimia komputasi kuantum skala besar, berdasarkan kombinasi Teori Penyematan Matriks Densitas dan Status Produk Matriks untuk mengurangi penskalaan memori secara eksponensial terhadap ukuran sistem; skema paralelisasi tiga tingkat yang disesuaikan telah diterapkan sesuai dengan sifat masalah fisik dan arsitektur banyak inti; Julia digunakan sebagai bahasa utama yang membuat pemrograman lebih mudah dan memungkinkan kinerja mutakhir mendekati bahasa asli C atau Fortran; Sistem kimia nyata telah dipelajari untuk menunjukkan kekuatan Q2Chemistry dalam kuantifikasi komputasi interaksi proteinligan. Sejauh pengetahuan mereka, ini adalah simulasi kimia komputasi kuantum yang pertama kali dilaporkan
perhitungan untuk sistem kimia nyata dengan sebanyak 100 atom dan 1000 qubit menggunakan DMET-MPS-VQE (dan 200 qubit menggunakan MPS-VQE), dan berskala hingga sekitar 20 juta inti. Hal ini membuka jalan untuk melakukan benchmarking dalam waktu dekat
Eksperimen VQE pada komputer kuantum dengan sekitar 100 qubit.

Sebuah studi baru menunjukkan bahwa untuk masalah-masalah yang menarik perhatian dunia nyata, seperti menghitung keadaan energi sekelompok atom, simulasi kuantum belum lebih akurat dibandingkan komputer klasik.

Hasil studi menunjukkan seberapa dekat komputer kuantum untuk menjadi alat simulasi atom dan molekul yang berguna bagi ahli kimia dan ilmuwan material.

Garnet Chan dari California Institute of Technology dan rekan kerjanya melakukan simulasi molekul dan material menggunakan prosesor Google 53-qubit yang disebut Weber, berdasarkan Sycamore.

Tim memilih dua masalah yang menjadi perhatian saat ini, tanpa mempertimbangkan seberapa cocok masalah tersebut untuk sirkuit kuantum. Yang pertama melibatkan penghitungan keadaan energi dari gugus 8 atom besi (Fe) dan sulfur (S) yang ditemukan dalam inti katalitik enzim nitrogenase. Enzim ini memutus ikatan kuat dalam molekul nitrogen sebagai langkah pertama dalam proses biologis penting yang disebut fiksasi nitrogen. Memahami sifat kimia dari proses ini dapat bermanfaat untuk mengembangkan katalis pengikat nitrogen buatan untuk industri kimia.

Salah satu hambatan utama terhadap simulasi kuantum yang akurat adalah kebisingan—kesalahan acak dalam peralihan “gerbang” yang menjalankan operasi logika kuantum dan dalam pembacaan status keluarannya. Kesalahan ini terakumulasi dan membatasi jumlah operasi gerbang yang dapat dilakukan komputasi sebelum noise mendominasi. Para peneliti menemukan bahwa simulasi dengan lebih dari 300 gerbang diliputi oleh kebisingan. Namun semakin kompleks sistemnya, semakin banyak gerbang yang dibutuhkan. Cluster Fe-S, misalnya, memiliki interaksi jangka panjang antar putaran; agar dapat direpresentasikan secara akurat, interaksi tersebut memerlukan banyak gerbang.

Simulasi tersebut memberikan prediksi yang cukup baik untuk spektrum energi cluster Fe-S dan kapasitas panas 𝛼-RuCl3—tetapi hanya jika sistem yang disimulasikan tidak terlalu besar. Untuk 𝛼-RuCl3, tim hanya dapat memperoleh hasil yang berarti untuk bongkahan 6 atom yang sangat kecil dari kisi kristal; jika mereka meningkatkan ukurannya menjadi hanya 10 atom, kebisingan yang dihasilkan akan melebihi outputnya. Dan kendala pada pengoperasian gerbang berarti hanya sekitar seperlima sumber daya kuantum Weber yang dapat digunakan untuk penghitungan.

Kimia Kuantum Canggih pada IonQ yang Terjebak Ion

Komputasi kuantum telah menarik banyak perhatian karena potensinya untuk memecahkan masalah komputasi tertentu dengan lebih efisien dibandingkan dengan komputer klasik, terutama sejak IBM meluncurkan komputer kuantum pertama yang dapat diakses di cloud dan Google menunjukkan keunggulan kuantum. Salah satu penerapannya yang paling menjanjikan adalah untuk memecahkan masalah struktur elektronik secara efisien: sebagai ilustrasi, pertimbangkan bahwa untuk masalah yang mengandung N orbital spin, jumlah bit klasik yang diperlukan untuk mewakili skala fungsi gelombang secara kombinatorial dengan N, sedangkan pada kuantum
komputer hanya membutuhkan N qubit. Keuntungan eksponensial yang ditawarkan oleh komputer kuantum telah memotivasi banyak penelitian dalam mengembangkan algoritma kuantum untuk memecahkan masalah struktur elektronik.

Algoritma variasional quantum eigensolver (VQE) dirancang khusus untuk komputer kuantum skala menengah jangka pendek (NISQ) saat ini. VQE memperkirakan keadaan dasar suatu sistem dengan menerapkan rangkaian parameterisasi dangkal, yang secara klasik dioptimalkan untuk meminimalkan nilai ekspektasi energi secara bervariasi. Algoritma VQE memungkinkan pengguna untuk memilih bentuk rangkaian parameterisasi.

Ada makalah penelitian dari perusahaan komputer kuantum Trapped Ion senilai $2 miliar, IonQ. Mereka mendapat rekor baru dengan 12 qubit dan 72 parameter. Kalau tidak salah karya Google dengan 10 atom dan qubit dikalahkan oleh karya IonQ ini.

IonQ saat ini sedang menguji 35 sistem qubit ion yang terperangkap. Ion yang terperangkap secara teori seharusnya mampu mencapai qubit yang sempurna secara fisik. Namun, ada sumber kesalahan lain di seluruh sistem.

Superkomputer Sunway bekerja pada mesin klasik yang mensimulasikan atom dan IonQ serta sistem kuantum lainnya akan terus maju dan berlomba untuk mensimulasikan sistem fisik atom dan molekul yang lebih besar dan lebih besar.

Simulasi elektron berkorelasi berpasangan yang dioptimalkan orbital pada komputer kuantum ion terperangkap

Variational quantum eigensolvers (VQE) adalah salah satu pendekatan yang paling menjanjikan untuk memecahkan masalah struktur elektronik pada komputer kuantum jangka pendek. Tantangan penting bagi VQE dalam praktiknya adalah kita perlu mencapai keseimbangan antara ekspresivitas ansatz VQE versus jumlah gerbang kuantum yang diperlukan untuk mengimplementasikan ansatz, mengingat realitas operasi kuantum yang berisik pada komputer kuantum jangka pendek. Dalam karya ini, kami mempertimbangkan pendekatan berkorelasi pasangan yang dioptimalkan orbital ke cluster berpasangan kesatuan dengan ansatz tunggal dan ganda (uCCSD) dan melaporkan implementasi rangkaian kuantum yang sangat efisien untuk arsitektur ion terperangkap. Kami menunjukkan bahwa optimasi orbital dapat memulihkan energi korelasi elektron tambahan yang signifikan tanpa mengorbankan efisiensi melalui pengukuran matriks kepadatan tereduksi (RDM) tingkat rendah. Dalam disosiasi molekul kecil, metode ini memberikan prediksi yang akurat secara kualitatif dalam rezim berkorelasi kuat ketika dijalankan pada simulator kuantum bebas noise. Pada komputer kuantum ion terperangkap Harmony dan Aria IonQ, kami menjalankan algoritme VQE ujung ke ujung dengan hingga 12 qubit dan 72 parameter variasi – simulasi VQE penuh terbesar dengan fungsi gelombang berkorelasi pada perangkat keras kuantum. Kami menemukan bahwa bahkan tanpa teknik mitigasi kesalahan, prediksi energi relatif pada geometri molekul yang berbeda sangat sesuai dengan simulator bebas noise.

Apakah ada bukti Keunggulan kuantum eksponensial dalam kimia kuantum.

Abstrak
Ide untuk menggunakan perangkat mekanika kuantum untuk mensimulasikan sistem kuantum lainnya umumnya dianggap berasal dari Feynman. Sejak usulan awal, proposal konkrit telah muncul untuk mensimulasikan kimia molekuler dan material melalui komputasi kuantum, sebagai “aplikasi mematikan” yang potensial. Indikasi potensi keunggulan kuantum eksponensial dalam tugas buatan telah meningkatkan minat terhadap penerapan ini, oleh karena itu, penting untuk memahami dasar potensi keunggulan kuantum eksponensial dalam kimia kuantum. Di sini kami mengumpulkan bukti untuk kasus ini dalam tugas paling umum dalam kimia kuantum, yaitu estimasi energi keadaan dasar. Kami menyimpulkan bahwa bukti keunggulan eksponensial di ruang kimia belum ditemukan. Meskipun komputer kuantum mungkin masih berguna untuk kimia kuantum, mungkin lebih bijaksana untuk berasumsi bahwa percepatan eksponensial tidak tersedia secara umum untuk masalah ini.

Para peneliti dari Berkeley dan tempat lain meneliti kasus hipotesis keunggulan kuantum eksponensial (EQA) untuk tugas utama penentuan keadaan dasar dalam kimia kuantum. Versi spesifik EQA yang mereka periksa memerlukan persiapan keadaan kuantum agar lebih mudah secara eksponensial dibandingkan dengan heuristik klasik, dan agar heuristik klasik menjadi sangat sulit secara eksponensial. Simulasi numerik mereka menyoroti bahwa heuristik diperlukan untuk mencapai persiapan keadaan dasar kuantum yang efisien. Pada saat yang sama, mereka tidak menemukan bukti penskalaan eksponensial heuristik klasik dalam serangkaian masalah yang relevan. Yang terakhir ini menunjukkan bahwa persiapan keadaan kuantum dapat dibuat efisien untuk masalah yang sama. Namun, karena EQA didasarkan pada rasio biaya, hal ini tidak mengarah pada EQA.

Perhitungan numerik bukanlah bukti matematis dari asimtotik sehubungan dengan ukuran dan kesalahan, juga tidak dapat mengecualikan EQA dalam masalah tertentu. Namun, hasil penelitian mereka menunjukkan bahwa tanpa wawasan baru dan mendasar, mungkin terdapat kekurangan EQA umum dalam tugas ini. Mengidentifikasi sistem kimia kuantum yang relevan dengan bukti kuat EQA masih menjadi pertanyaan terbuka. Mereka tidak mempertimbangkan tugas-tugas selain penentuan keadaan dasar, dan mereka juga tidak mengesampingkan percepatan polinomial. Bergantung pada bentuk tepatnya, percepatan kuantum polinomial dapat dikaitkan dengan keunggulan kuantum yang berguna, karena bahkan algoritma klasik polinomial tidak berarti bahwa solusi dapat diperoleh dalam waktu praktis. Kedua aspek tersebut mungkin terbukti penting dalam pengembangan lebih lanjut algoritma kuantum dalam kimia kuantum.