מדעני Oak Ridge משתמשים במחשב קוונטי למחקר תאי שמש - ניתוח חדשות מחשוב עתיר ביצועים | בתוך HPC

Oak Ridge National Laboratory הודיעה כי חוקרים במעבדה השתמשו ב- מחשב קוונטי H1-1 Quantinuum לא רק הדגימו שיטות עבודה מומלצות למחשוב מדעי על מערכות קוונטיות נוכחיות, אלא גם יצרו את מה שהמעבדה אמרה שהוא תוצאה מדעית מסקרנת.

הפרויקט מומן על ידי המשרד למדעי האנרגיה הבסיסיים של DOE. גישה אל H1-1, מחשב קוונטי מוכן לארגון שנבנה על ידי Quantinuum (הוקם על ידי Honeywell ו-Cambridge Quantum בשנת 2021), סופק על ידי ה תוכנית משתמשי מחשוב קוונטי ב-Oak Ridge Leadership Computing Facility, מתקן משתמש של DOE Office of Science.

על ידי מודל של ביקוע יחיד - שבו קליטה של ​​פוטון אור בודד על ידי מולקולה מייצרת שני מצבים נרגשים - הצוות אישר שה-H הליניארי₄ הרמות האנרגטיות של המולקולה תואמות את הדרישות של תהליך הביקוע. H הליניארי₄ מולקולה היא, פשוט, מולקולה העשויה מארבעה אטומי מימן המסודרים בצורה ליניארית. הרמות האנרגטיות של מולקולה הן האנרגיות של כל מצב קוונטי המעורב בתופעה, כגון ביקוע יחיד, וכיצד הן קשורות ומשוות זו לזו. העובדה שהרמות האנרגטיות של המולקולה הליניארית מועילות לביקוע בודד עשויה להתגלות כידע שימושי במאמץ הכולל לפתח פאנלים סולאריים יעילים יותר.

"זהו אחד הגורמים המניעים המובילים מאחורי ביקוע יחיד - לתאים סולאריים קונבנציונליים יש יעילות מקסימלית תיאורטית של כ-33%, אך הונחה כי חומרים המפגינים ביקוע יחיד יכולים לשבור את הגבול הזה ויכולים להיות יעילים יותר", אמר דניאל. קלאודינו, מדען מחקר בקבוצת ה-Quantum Computational Science של ORNL והחוקר הראשי של הפרויקט. "החיסרון הוא שקשה מאוד להבין אם חומר מסוים מפגין ביקוע בודד. יש דרישה אנרגטית ספציפית, וקשה למצוא חומרים שממלאים אותה”.

עם הדיוק הגבוה שלה עבור עלות חישובית ניתנת לניהול, הגישה של צוות ORNL לשימוש במחשב קוונטי מספקת שיטת סימולציה יעילה לזיהוי מולקולות המדגימות תכונות של ביקוע יחיד תוך עקיפת קירובים הנפוצים בטכניקות המשמשות למחשבים קלאסיים. תוצאות עבודתו היו פורסם ב כתב העת למכתבי כימיה פיזיקלית.

ביקוע יחיד הוא תופעה מרובת מצבים, כך שצוות ORNL נזקק לשיטה חישובית שתוכל לתאר את כל המצבים הקוונטיים של התהליך על בסיס שווה כדי לחשב מספרים אנרגטיים מדויקים. הם פנו ל PDS, שהוא פותר קוונטי המבוסס על גישת Peeters-Devreese-Soldatov ופותח במעבדה הלאומית Pacific Northwest.

ל-PDS יש כמה יתרונות על פני אסטרטגיות קלאסיות לקביעת תכונותיו האנרגטיות של חומר, כולל דיוק גבוה בהרבה מתיאוריית פונקציונליות הצפיפות ופחות דרישות חישוביות מתאוריית אשכולות משולבים. ומכיוון שהוא פותח כדי לשפר את הדיוק והיעילות של סימולציות בכימיה קוונטית, PDS מתאים היטב למנף את היתרונות הפוטנציאליים של מחשבי קוונטים.

"האנרגטיקה של ביקוע סינגל סובבת סביב עירורים אלקטרוניים כפולים - שני אלקטרונים נעים לרמות אנרגיה גבוהות יותר בו זמנית, דבר שדי קשה להגדיר עם אלגוריתמים עבור מחשבים קונבנציונליים," אמר קלאודינו. "אבל הדרך הבסיסית שבה מחשב קוונטי עובד, הוא יכול לטפל באופן טבעי במתאמים הקוונטיים שמובילים לתופעת הביקוע הזה. אז הגענו להבנה ש'כן, אנחנו צריכים להשתמש במחשב קוונטי כדי לטפל במשהו שהוא קוונטי מטבעו'. זה ידוע. אבל אני חושב שהיינו הראשונים להבין שיש לזה את היישום לבעיה הספציפית הזו".

מחשוב קוונטי - טכנולוגיה שעדיין בשלבי היווצרות שלה בהשוואה למחשבי-על קלאסיים כמו מחלקת ה-exascale-class של OLCF גבול - משתמש בסיביות קוונטיות, או קיוביטים, לביצוע חישובים. בניגוד לביטים בינאריים המשמשים במחשבים קלאסיים, קיוביטים חורגים מ-1 ו-0 כדי להשתמש גם ב-1 וב-0 בו-זמנית בסופרפוזיציה מעורבת, ומגדילים באופן אקספוננציאלי את כוח העיבוד שלו עבור משוואות מסוימות, כמו אלו המבוססות על מכניקת הקוונטים. עם זאת, מערכות מחשב קוונטיות עדיין מועדות לשיעורי שגיאה גבוהים, והצוות נאלץ לפצות על האתגר הזה כדי להשיג תוצאות אמינות.

"עדיף שיהיו הרבה יותר מדידות כדי להיות על הצד הבטוח בכל הנוגע לעקוף שגיאות, אבל אז לא נוכל להפעיל את האלגוריתם הזה בזמן", אמר קלאודינו. "אז הגענו לאופטימיזציה של מדידות כדי להוריד את גודל החישובים שלנו למשהו סביר מבחינת זמן חישוב. עברנו ממשהו שהיה גדול בצורה בלתי רגילה למשהו שהיה זמין לחומרה הקוונטית".

חברי צוות ORNL יישמו שלוש אסטרטגיות עצמאיות כדי להפחית את עומס העבודה החישובי של הפרויקט שלהם, מה שהפחית את זמן הפתרון שלהם מחודשים למספר שבועות. ראשית, בטכניקה הנקראת qubit tapering, הם הפחיתו את מספר הקיוביטים הנדרשים כדי לבטא את הבעיה, והקטינו את גודל הבעיה עצמה. שנית, הם לקחו פחות מדידות כדי לפתור את הבעיה על ידי מדידת קבוצות של מונחים פעם אחת במקום מדידת כל מונח בודד מכל קבוצה (תהליך שנקרא קומוטטיביות לפי qubit). שלישית, במקום ליישם כל מעגל בנפרד, הם מצאו דרך להפעיל ארבעה מעגלים במקביל, מה שמאפשר להם להשתמש בכל 20 הקיוביטים ב-H1-1. קרדיט איור: אדם מלין/ORNL.

חברי צוות ORNL יישמו שלוש אסטרטגיות עצמאיות כדי להפחית את עומס העבודה החישובי של הבעיה, מה שהפחית את זמן הפתרון שלהם מחודשים למספר שבועות. ראשית, בטכניקה הנקראת qubit tapering, הם הפחיתו את מספר הקיוביטים הנדרשים כדי לבטא את הבעיה, והקטינו את גודל הבעיה עצמה. שנית, הם לקחו פחות מדידות כדי לפתור את הבעיה על ידי מדידת קבוצות של מונחים פעם אחת במקום מדידת כל מונח בודד מכל קבוצה. שלישית, במקום ליישם כל מעגל בנפרד, הם מצאו דרך להפעיל ארבעה מעגלים במקביל, מה שמאפשר להם להשתמש בכל 20 הקיוביטים ב-H1-1.

"הבנו שאם אנחנו רוצים פשוט לזרוק את כל הדבר הזה לתוך מחשב קוונטי, זה לא יעבוד כי זה עדיין יותר מדי עבור הטכנולוגיה הנוכחית. הרעיון הוא שאתה רוצה לדמיין דרך להתחבר למחשב הקוונטי אבל רק עבור משימות ספציפיות שאנו יודעים שהן יכולות לבצע טוב יותר ממחשבים רגילים", אמר קלאודינו. "עם זאת, גם אז, אתה עדיין מוגבל על ידי המצב הנוכחי של האמנות שמאפשר לנו רק לעלות לגודל מסוים או לבצע משימות שלוקחות רק כל כך הרבה זמן. זה צוואר הבקבוק העיקרי כשפונים למחשבים קוונטיים".

הפרויקט של צוות ORNL הדגים את הכדאיות של מחשבים קוונטיים נוכחיים להתמודד עם בעיות מדעיות שעלולות להשפיע על חיי היומיום. למרות שקלאודינו לא צופה להתמודד שוב עם ביקוע סינגלט בקרוב, הצוות שלו שוקל בעיות אחרות - כמו "האינטראקציה של חומר ואור" - שעשויות להיפתר באמצעות טכניקות המחשוב הקוונטי שהוצגו בפרויקט זה.

"למרות שהגישות שהשתמשנו בהן פורסמו בעבר, הייתי אומר שהן רחוקות מלהיות מאומצות באופן נרחב. אני חושב שאנחנו מוכיחים את השימוש בגישות כאלה", אמר קלאודינו. "החוקרים צריכים להיות מודעים לכך שהם עלולים לבזבז משאבים קוונטיים ועלולים להגדיל את השגיאות בסימולציות שלהם על ידי אי ניצול הטכניקות הללו."

פרסום קשור:
קלאודינו, D., et. אל., "לדגמן ביקוע יחיד במחשב קוונטי," כתב העת למכתבי כימיה פיזיקלית (2023); https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c01106

מקור: Coury Turczyn, ORNL

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. רכב / רכבים חשמליים, פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• BlockOffsets. מודרניזציה של בעלות על קיזוז סביבתי. גישה כאן.
• מקור: https://insidehpc.com/2023/07/oak-ridge-scientists-use-quantum-computer-for-solar-cell-research/