כימיה קוונטית קשה מאוד. נראה כי הכימיה הטובה ביותר של מחשוב קוונטי היא ברמה של 12 קיוביטים / 12 אטומים. הדמיות מחשבי-על יכולות להתמודד עם הדמיית 20 קיוביטים ו-20 אטומים. ישנם מאמרים מוקדמים המצביעים על כך שמחשבי-על קלאסיים יכולים להגיע ל-100 אטומים ו-1000 קיוביטים עבור סוגים מסוימים של סימולציה. מחשבים קוונטיים דוחפים עד 35 יונים לכודים בנאמנות גבוהה ויש עבודה כדי להשיג הפחתת שגיאות ודיכוי שגיאות מעולה ובסופו של דבר תיקון שגיאות עם מחשבים קוונטיים. פריצות הדרך באלגוריתמים למחשבי-על ולמערכות קוונטיות נמשכות וישנם מתחרים רבים עם טכנולוגיות קוונטיות שונות המחפשות לבצע פריצות דרך להרחבה לאלפי ומיליוני קיוביטים ולפתח ניהול טעויות מעולה ויעיל יותר.
היה מאמר בשנת 2022 שבו בוצעו הדמיות קוונטיות במחשב העל של Sunway. בשלב הנוכחי, סימולציה קלאסית של חישוב קוונטי חיונית לחקר אלגוריתמים קוונטיים וארכיטקטורות מחשוב קוונטי, במיוחד עבור אלגוריתמים קוונטיים היוריסטים כ-VQE. ניסוי ה-VQE הגדול ביותר שבוצע על מחשב קוונטי עד כה השתמש ב-12 קיוביטים. יתרון חישובי קוונטי רלוונטי מבחינה תעשייתית בכימיה קוונטית צפוי להופיע בסביבות 38 ≤ N ≤ 68 קיוביטים (בהנחה של קיוביטים מתוקנים בשגיאות), הקשור לבעיית מבנה אלקטרוני כולל
19 ≤ N ≤ 34 אלקטרונים.
בהשוואה ל-RQC (Random Quantum Circuits), VQE (פתיר עצמי קוונטי משתנה) תובעני הרבה יותר הן עבור מחשבים קוונטיים והן עבור מחשבים קלאסיים, לדוגמה, מספר השערים של CNOT המעורבים בסימולציה טיפוסית של כימיה קוואנטית חישובית עובר במהירות ממיליון עם שימוש נפוץ השפעות מונעות פיזית כגון מקבץ צמוד יחיד (UCC). יתר על כן, יש לבצע את המעגל הקוונטי הפרמטרי פעמים רבות, כפי שאופייני לאלגוריתמים וריאציות. השפעות אלו מגבילות את רוב החקירות הנוכחיות של VQE באמצעות מחשבים קלאסיים לבעיות קטנות מאוד (פחות מ-1 קיוביטים). שחרור שפת התכנות ג'וליה בארכיטקטורות של Sunway והפעלתה ביעילות מעל 20 מיליון ליבות היא גם משימה מאתגרת ביותר. העבודה לשנת 20 קבעה את הסטנדרט להדמיה קלאסית בקנה מידה גדול של כימיה חישובית קוונטית, וסוללת את הדרך לאמוד יישומי VQE במחשבי קוונטים רועשים בטווח הקרוב.
Q2 Chemistry מתאימה לסימולציה בקנה מידה גדול של כימיה חישובית קוונטית, המבוססת על שילוב של תיאוריית הטבעת מטריצת הצפיפות ומצבי המוצר של מטריקס כדי להפחית את קנה המידה של הזיכרון באופן אקספוננציאלי מול גודל המערכת; הוטמעה סכימת הקבלה תלת-מפלסית מותאמת אישית בהתאם לאופי הבעיה הפיזית וארכיטקטורת הליבות הרבות; Julia משמשת כשפה העיקרית, מה שמקל על התכנות ומאפשר ביצועים מתקדמים קרובים ל-C או Fortran מקוריים; מערכות כימיות אמיתיות נחקרו כדי להדגים את כוחה של Q2Chemistry בכימות חישובית של אינטראקציות חלבוןליגנד. למיטב ידיעתם, זוהי הדמיית כימיה חישובית קוונטית המדווחת הראשונה
חישוב עבור מערכת כימית אמיתית עם עד 100 אטומים ו-1000 קיוביטים באמצעות DMET-MPS-VQE (ו-200 קיוביטים באמצעות MPS-VQE), ומתרחבת עד ל-20 מיליון ליבות. זה סולל את הדרך להשוואה לטווח הקרוב
ניסויי VQE במחשבים קוונטיים עם כ-100 קיוביטים.
מחקר חדש מראה שעבור בעיות של עניין בעולם האמיתי, כמו חישוב מצבי האנרגיה של צביר אטומים, הדמיות קוונטיות עדיין אינן מדויקות יותר מאלו של מחשבים קלאסיים.
תוצאות המחקר מראות עד כמה קרובים מחשבים קוונטיים להפוך לכלי סימולציה אטומיים ומולקולריים שימושיים עבור כימאים ומדעני חומרים.
גארנט צ'אן מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה ועמיתיו לעבודה ביצעו סימולציות של מולקולה וחומר באמצעות מעבד גוגל של 53 קיוביטים בשם Weber, המבוסס על השקמה.
הצוות בחר שתי בעיות של עניין נוכחי, ללא כל שיקול עד כמה הן עשויות להיות מתאימות למעגל קוונטי. הראשון כולל חישוב מצבי האנרגיה של צביר בן 8 אטומים של ברזל (Fe) וגופרית (S) שנמצאים בליבה הקטלטית של האנזים ניטרוגנאז. אנזים זה שובר קשרים חזקים במולקולות חנקן כשלב ראשון בתהליך ביולוגי חשוב הנקרא קיבוע חנקן. הבנת הכימיה של תהליך זה יכולה להיות בעלת ערך לפיתוח זרזים מלאכותיים לקיבוע חנקן לתעשייה הכימית.
אחד המכשולים המרכזיים לסימולציות קוונטיות מדויקות הוא רעש - שגיאות אקראיות הן במיתוג ה"שערים" המבצעים פעולות לוגיקה קוונטית והן בקריאה של מצבי הפלט שלהם. שגיאות אלו מצטברות ומגבילות את מספר פעולות השער שחישוב יכול לבצע לפני שהרעש שולט. החוקרים גילו שסימולציות עם יותר מ-300 שערים הוצפו ברעש. אבל ככל שהמערכת מורכבת יותר, יש צורך ביותר שערים. לאשכול Fe-S, למשל, יש אינטראקציות ארוכות טווח בין ספינים; כדי להיות מיוצגים בצורה מדויקת, אינטראקציות כאלה דורשות שערים רבים.
ההדמיות סיפקו תחזיות עבור ספקטרום האנרגיה של אשכול Fe-S ויכולת החום של 𝛼-RuCl3 בצורה סבירה - אבל רק אם המערכות המדומות לא היו גדולות מדי. עבור 𝛼-RuCl3 הצוות יכול היה להשיג תוצאות משמעותיות רק עבור נתח קטן מאוד של 6 אטומים של סריג הגביש; אם הם הגדילו את הגודל ל-10 אטומים בלבד, הרעש הכריע את הפלט. והאילוצים על פעולות שערים הביאו לכך שרק כחמישית מהמשאבים הקוונטיים של ובר יכלו לשמש לחישוב.
כימיה קוונטית מתקדמת ב-IonQ Trapped Ion
חישוב קוונטי משך תשומת לב משמעותית בשל הפוטנציאל שלו לפתור בעיות חישוביות מסוימות בצורה יעילה יותר מאשר במחשבים קלאסיים, במיוחד מאז ש-IBM השיקה את המחשב הקוונטי הראשון הנגיש לענן וגוגל הפגינה יתרון קוונטי. אחד מהיישומים המבטיחים ביותר שלו הוא לפתור בעיות מבנה אלקטרוני ביעילות: כדי להמחיש, קחו בחשבון שבבעיה המכילה N אורביטלי ספין, מספר הסיביות הקלאסיות הנדרשות לייצוג פונקציית הגל משתרע בשילוב עם N, בעודם על קוונטי.
יש צורך במחשב רק N קיוביטים. היתרון האקספוננציאלי שמציעים מחשבים קוונטיים הניע מחקר רב בפיתוח אלגוריתמים קוונטיים לפתרון בעיית המבנה האלקטרוני.
האלגוריתם הקוונטי העצמי הווריאציוני (VQE) תוכנן במיוחד עבור מחשבים קוונטיים בקנה מידה בינוני בטווח הקרוב (NISQ). VQE מעריך את מצב הקרקע של מערכת על ידי הטמעת מעגל רדוד עם פרמטרים, אשר מותאם באופן קלאסי כדי למזער את ערך תוחלת האנרגיה באופן משתנה. אלגוריתם VQE מאפשר למשתמש לבחור את צורת המעגל בעל הפרמטרים.
יש מאמר מחקר של חברת המחשבים הקוונטים ה-IonQ Trapped Ion בסך 2 מיליארד דולר. הם קיבלו שיא חדש עם 12 קיוביטים ו-72 פרמטרים. אם אני לא טועה העבודה של גוגל עם 10 אטומים וקיוביטים עלתה על ידי עבודת IonQ הזו.
IonQ בוחנת כעת מערכת קיוביט של 35 יונים לכודים. יון לכוד אמור תיאורטית להיות מסוגל להשיג קיוביטים מושלמים פיזית. עם זאת, ישנם מקורות שגיאה נוספים בכל המערכת.
עבודת מחשב העל של Sunway על מכונות קלאסיות המדמות אטומים וה-IonQ ומערכות קוונטיות אחרות ימשיכו להתקדם ולמרוץ לדמות מערכות פיסיקליות אטומיות ומולקולריות גדולות יותר ויותר.
הדמיות אלקטרונים המתואמות לזוגות עם אופטימיזציה למסלול על מחשבים קוונטיים ליונים לכודים
פותרים קוונטיים עצמיים וריאציוניים (VQE) הם בין הגישות המבטיחות ביותר לפתרון בעיות מבנה אלקטרוני במחשבים קוונטיים לטווח הקרוב. אתגר קריטי עבור VQE בפועל הוא שצריך למצוא איזון בין האקספרסיביות של ה-VQE ansatz לעומת מספר השערים הקוונטיים הנדרשים ליישום ה-ansatz, בהתחשב במציאות של פעולות קוונטיות רועשות במחשבים קוונטיים לטווח הקרוב. בעבודה זו, אנו מתייחסים לקירוב אופטימלי של זוג בקורלציה לאשכול המזוהה האחידית עם אנזצ'ה יחידים וכפולים (uCCSD) ומדווחים על יישום מעגל קוונטי יעיל ביותר עבור ארכיטקטורות של יונים לכודים. אנו מראים שאופטימיזציה של מסלול יכולה לשחזר אנרגיית מתאם אלקטרונים משמעותית נוספת מבלי להקריב יעילות באמצעות מדידות של מטריצות צפיפות מופחתת מסדר נמוך (RDM). בניתוק של מולקולות קטנות, השיטה נותנת תחזיות מדויקות מבחינה איכותית במשטר בעל קורלציה חזק כאשר היא פועלת על סימולטורים קוונטיים נטולי רעש. במחשבי הקוונטים הלכודים של IonQ של Harmony ושל Aria, אנו מריצים אלגוריתמי VQE מקצה לקצה עם עד 12 קיוביטים ו-72 פרמטרים וריאציות - הדמיית VQE המלאה הגדולה ביותר עם פונקציית גלים בקורלציה על חומרה קוונטית. אנו מוצאים שאפילו ללא טכניקות הפחתת שגיאות, האנרגיות היחסיות החזויות על פני גיאומטריות מולקולריות שונות נמצאות בהסכמה מצוינת עם סימולטורים נטולי רעש.
האם יש עדויות ליתרון קוונטי אקספוננציאלי בכימיה קוונטית.
תַקצִיר
הרעיון להשתמש במכשירים מכאניים קוונטיים כדי לדמות מערכות קוונטיות אחרות מיוחס בדרך כלל לפיינמן. מאז ההצעה המקורית, הופיעו הצעות קונקרטיות להדמיית כימיה מולקולרית וחומרים באמצעות חישוב קוונטי, כ"יישום רוצח" פוטנציאלי. אינדיקציות של יתרון קוונטי אקספוננציאלי פוטנציאלי במשימות מלאכותיות הגדילו את העניין ביישום זה, ולכן, חיוני להבין את הבסיס ליתרון קוונטי מעריכי פוטנציאלי בכימיה קוונטית. כאן אנו אוספים את הראיות למקרה זה במשימה הנפוצה ביותר בכימיה קוונטית, כלומר, הערכת אנרגיה במצב קרקע. אנו מסיקים שעדיין לא נמצאו עדויות ליתרון אקספוננציאלי כזה במרחב הכימי. למרות שמחשבים קוונטיים עדיין עשויים להתגלות שימושיים עבור כימיה קוונטית, ייתכן שיהיה נבון להניח כי הגברת מהירות אקספוננציאלית אינה זמינה באופן כללי לבעיה זו.
חוקרים מברקלי וממקומות אחרים בחנו את המקרה של השערת היתרון הקוונטי (EQA) עבור המשימה המרכזית של קביעת מצב קרקע בכימיה קוונטית. הגרסה הספציפית של EQA שהם בחנו דרשה הכנת מצב קוונטי להיות קלה באופן אקספוננציאלי בהשוואה להיוריסטיקה קלאסית, ושהיוריסטיקה קלאסית תהיה קשה באופן אקספוננציאלי. ההדמיות המספריות שלהם מדגישות שהיוריסטיקה הכרחית כדי להשיג הכנה קוונטית יעילה למצב קרקע. יחד עם זאת, הם אינם מוצאים עדויות לקנה מידה אקספוננציאלי של היוריסטיקה קלאסית במערך של בעיות רלוונטיות. זה האחרון מציע שניתן להפוך את הכנת המצב הקוונטי יעיל לאותן בעיות. עם זאת, מכיוון ש-EQA מבוסס על יחס העלויות, זה לא מוביל ל-EQA.
חישובים מספריים אינם הוכחה מתמטית לאסימפטוטיקה ביחס לגודל ושגיאה, ואינם יכולים לכלול EQA בבעיות ספציפיות. עם זאת, התוצאות שלהם מצביעות על כך שללא תובנות חדשות ויסודיות, ייתכן שיש חוסר ב-EQA גנרי במשימה זו. זיהוי מערכת כימית קוונטית רלוונטית עם עדויות חזקות ל-EQA נותרה שאלה פתוחה. הם לא שקלו משימות מלבד קביעת מצב קרקע, וגם לא שוללים מהירות פולינומית. בהתאם לצורה המדויקת, מהירות קוונטית פולינומית יכולה להיות קשורה ליתרון קוונטי שימושי, מכיוון שאפילו אלגוריתם פולינומי קלאסי לא אומר שניתן להשיג פתרונות בזמן מעשי. שני ההיבטים עשויים להתגלות כחשובים בהמשך הפיתוח של אלגוריתמים קוונטיים בכימיה קוונטית.
בריאן וואנג הוא מוביל מחשבה עתידני ובלוגר מדע פופולרי עם מיליון קוראים בחודש. הבלוג שלו Nextbigfuture.com מדורג במקום ה -1 בלוג חדשות המדע. הוא מכסה טכנולוגיות ומגמות משבשות רבות, כולל חלל, רובוטיקה, בינה מלאכותית, רפואה, ביוטכנולוגיה אנטי-אייג'ינג וננוטכנולוגיה.
הוא ידוע בזיהוי טכנולוגיות חדישות, כיום הוא מייסד שותף של סטארט-אפ וגיוס תרומות עבור חברות בשלב מוקדם פוטנציאלי. הוא ראש המחקר להקצאות השקעות טכנולוגיות עמוקות ומשקיע אנג'ל במלאכי חלל.
הוא היה דובר תכופים בתאגידים, הוא היה דובר TEDx, דובר באוניברסיטת סינגולריות והתארח בראיונות רבים לרדיו ולפודקאסטים. הוא פתוח לנאום וליווי התקשרויות בפומבי.
