Wetenschappers van Oak Ridge gebruiken kwantumcomputer voor onderzoek naar zonnecellen - Nieuwsanalyse van krachtige computers

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Wetenschappers van Oak Ridge gebruiken kwantumcomputer voor onderzoek naar zonnecellen - Nieuwsanalyse van krachtige computers | binnenHPC PlatoBlockchain Data Intelligence. Verticaal zoeken. Ai. Het Oak Ridge National Laboratory heeft aangekondigd dat onderzoekers van het lab de Quantinuum H1-1 kwantumcomputer om niet alleen best practices voor wetenschappelijk computergebruik op de huidige kwantumsystemen te demonstreren, maar ook te produceren wat volgens het lab een intrigerend wetenschappelijk resultaat is.

Het project werd gefinancierd door DOE's Office of Basic Energy Sciences. Toegang tot de H1-1, een enterprise-ready kwantumcomputer gebouwd door Quantinuum (opgericht door Honeywell en Cambridge Quantum in 2021), werd geleverd door de Quantum Computing gebruikersprogramma bij de Oak Ridge Leadership Computing Facility, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit.

Door singlet-splijting te modelleren - waarbij absorptie van een enkel foton van licht door een molecuul twee aangeslagen toestanden produceert - bevestigde het team dat de lineaire H₄ de energieniveaus van het molecuul komen overeen met de vereisten van het splijtingsproces. De lineaire H₄ molecuul is simpelweg een molecuul gemaakt van vier waterstofatomen die lineair zijn gerangschikt. De energetische niveaus van een molecuul zijn de energieën van elke kwantumtoestand die betrokken is bij een fenomeen, zoals singlet-splijting, en hoe ze zich verhouden en met elkaar vergelijken. Het feit dat de energetische niveaus van het lineaire molecuul bevorderlijk zijn voor singlet-splijting, zou nuttige kennis kunnen blijken te zijn bij de algehele inspanning om efficiëntere zonnepanelen te ontwikkelen.

"Dit is een van de belangrijkste motiverende factoren achter singlet-splijting - conventionele zonnecellen hebben een theoretisch maximaal rendement van ongeveer 33 procent, maar er is verondersteld dat materialen die singlet-splijting vertonen die limiet kunnen doorbreken en efficiënter kunnen zijn", zei Daniel Claudino, een onderzoekswetenschapper in de Quantum Computational Science-groep van ORNL en de hoofdonderzoeker van het project. “De keerzijde is dat het erg moeilijk is om fundamenteel te begrijpen of een bepaald materiaal singlet-splijting vertoont. Er is een specifieke energetische behoefte en het is moeilijk om materialen te vinden die daaraan voldoen.”

Met zijn hoge nauwkeurigheid tegen beheersbare rekenkosten, biedt de benadering van het ORNL-team voor het gebruik van een kwantumcomputer een effectieve simulatiemethode om moleculen te identificeren die singlet-splijtingseigenschappen vertonen, terwijl benaderingen die vaak worden aangetroffen in technieken die worden gebruikt voor klassieke computers, worden omzeild. De resultaten van zijn werk waren gepubliceerd Het Journal of Physical Chemistry Letters.

Singlet-splijting is een fenomeen met meerdere toestanden, dus het ORNL-team had een computationele methode nodig die alle kwantumtoestanden van het proces op gelijke voet kon beschrijven om nauwkeurige energetica te berekenen. Ze wendden zich tot PDS, een kwantumoplosser gebaseerd op de Peeters-Devreese-Soldatov-benadering en ontwikkeld in het Pacific Northwest National Laboratory.

PDS heeft enkele voordelen ten opzichte van klassieke strategieën voor het bepalen van de energetische eigenschappen van een materiaal, waaronder een veel hogere nauwkeurigheid dan de dichtheidsfunctionaaltheorie en minder rekenkundige eisen dan de gekoppelde clustertheorie. En omdat het is ontwikkeld om de nauwkeurigheid en efficiëntie van simulaties in de kwantumchemie te verbeteren, is PDS zeer geschikt om de potentiële voordelen van kwantumcomputers te benutten.

"De energetica van singlet-splijting draait om dubbele elektronische excitaties - twee elektronen gaan tegelijkertijd naar hogere energieniveaus, wat vrij moeilijk vast te pinnen is met algoritmen voor conventionele computers, " zei Claudino. "Maar de onderliggende manier waarop een kwantumcomputer werkt, kan natuurlijk de kwantumcorrelaties behandelen die aanleiding geven tot dit fenomeen van singlet-splijting. Toen kwamen we tot het besef dat 'ja, we zouden een kwantumcomputer moeten gebruiken om iets te behandelen dat inherent kwantum is'. Dat is bekend. Maar ik denk dat wij de eersten waren die beseften dat het de toepassing voor dit specifieke probleem had.”

Quantum computing - een technologie die zich nog in de beginfase bevindt in vergelijking met klassieke supercomputers zoals de exascale-klasse van het OLCF Grens - gebruikt kwantumbits of qubits om berekeningen uit te voeren. In tegenstelling tot binaire bits die in klassieke computers worden gebruikt, gaan qubits verder dan 1s en 0s om ook 1 en 0 tegelijkertijd in een gemengde superpositie te gebruiken, waardoor de verwerkingskracht voor bepaalde vergelijkingen exponentieel toeneemt, zoals die gebaseerd zijn op de kwantummechanica. Quantumcomputersystemen zijn echter nog steeds gevoelig voor hoge foutpercentages en het team moest deze uitdaging compenseren om betrouwbare resultaten te bereiken.

"Het is beter om veel meer metingen te hebben om aan de veilige kant te blijven als het gaat om het omzeilen van fouten, maar dan zouden we dit algoritme niet op tijd kunnen uitvoeren", zei Claudino. “Toen kwamen we met meetoptimalisatie om de omvang van onze berekeningen terug te brengen tot iets dat redelijk was in termen van rekentijd. We gingen van iets dat onbetaalbaar groot was naar iets dat geschikt was voor de kwantumhardware.

Wetenschappers van Oak Ridge gebruiken kwantumcomputer voor onderzoek naar zonnecellen - Nieuwsanalyse van krachtige computers | binnenHPC PlatoBlockchain Data Intelligence. Verticaal zoeken. Ai.

ORNL-teamleden pasten drie onafhankelijke strategieën toe om de computerwerklast van hun project te verminderen, waardoor hun tijd tot oplossing terugliep van maanden tot enkele weken. Ten eerste, in een techniek genaamd qubit tapering, verminderden ze het aantal qubits dat nodig was om het probleem uit te drukken, waardoor de omvang van het probleem zelf werd verkleind. Ten tweede namen ze minder metingen om het probleem op te lossen door groepen termen één keer te meten in plaats van elke individuele term van elke groep te meten (een proces dat qubit-wise commutativiteit wordt genoemd). Ten derde, in plaats van elk circuit afzonderlijk te implementeren, vonden ze een manier om vier circuits parallel te laten lopen, waardoor ze alle 20 qubits in de H1-1 konden gebruiken. Afbeelding tegoed: Adam Malin/ORNL.

ORNL-teamleden pasten drie onafhankelijke strategieën toe om de rekenlast van het probleem te verminderen, waardoor de tijd die nodig was om het probleem op te lossen terugliep van maanden tot enkele weken. Ten eerste, in een techniek genaamd qubit tapering, verminderden ze het aantal qubits dat nodig was om het probleem uit te drukken, waardoor de omvang van het probleem zelf werd verkleind. Ten tweede namen ze minder metingen om het probleem op te lossen door groepen termen één keer te meten in plaats van elke individuele term van elke groep te meten. Ten derde, in plaats van elk circuit afzonderlijk te implementeren, vonden ze een manier om vier circuits parallel te laten lopen, waardoor ze alle 20 qubits in de H1-1 konden gebruiken.

“We realiseerden ons dat als we dit hele ding zomaar in een kwantumcomputer zouden willen gooien, dat niet gaat werken omdat het nog te veel is voor de huidige technologie. Het idee is dat je je een manier wilt voorstellen om gebruik te maken van de kwantumcomputer, maar alleen voor specifieke taken waarvan we weten dat ze beter kunnen presteren dan conventionele computers,' zei Claudino. “Maar zelfs dan ben je nog steeds beperkt door de huidige stand van de techniek die ons alleen toestaat om tot een bepaalde grootte te gaan of taken uit te voeren die maar zo lang duren. Dat is het grootste knelpunt bij de overstap naar kwantumcomputers.”

Het project van het ORNL-team toonde de levensvatbaarheid aan van de huidige kwantumcomputers om wetenschappelijke problemen aan te pakken die van invloed kunnen zijn op het dagelijks leven. Hoewel Claudino niet voorziet dat singlet-splijting binnenkort weer zal worden aangepakt, overweegt zijn team andere problemen — zoals "de interactie van materie en licht" - die kunnen worden opgelost met behulp van de kwantumcomputingtechnieken die in dit project worden gedemonstreerd.

“Hoewel de benaderingen die we hebben gebruikt eerder zijn gepubliceerd, zou ik zeggen dat ze nog lang niet algemeen worden toegepast. Ik denk dat we sterk pleiten voor het gebruik van dergelijke benaderingen,' zei Claudino. "Onderzoekers moeten er rekening mee houden dat ze mogelijk kwantumbronnen verspillen en mogelijk fouten in hun simulaties vergroten door geen gebruik te maken van deze technieken."

Gerelateerde publicatie:
Claudino, D., et. al., "Het modelleren van singlet-splijting op een kwantumcomputer," Het Journal of Physical Chemistry Letters (2023); https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c01106

bron: Coury Turczyn, ORNL