Chimia cuantică este foarte grea. Cea mai bună chimie de calcul cuantic pare să fie la nivelul de 12 qubiți / 12 atomi. Simulările cu supercomputer pot gestiona simulări de 20 de qubiți și 20 de atomi. Există lucrări timpurii care sugerează că supercalculatoarele clasice pot ajunge la 100 de atomi și 1000 de qubit pentru unele tipuri de simulare. Calculatoarele cuantice împing până la 35 de ioni prinși de înaltă fidelitate și există de lucru pentru a obține o reducere superioară a erorilor și suprimarea erorilor și eventuala corectare a erorilor cu computerele cuantice. Descoperirile în algoritmi pentru supercalculatoare și sisteme cuantice continuă și există mulți concurenți cu diferite tehnologii cuantice care caută să facă progrese la scară la mii și milioane de qubiți și să dezvolte un management superior și mai eficient al erorilor.
A existat o lucrare în 2022 în care au fost efectuate simulări cuantice pe supercomputerul Sunway. În stadiul actual, simularea clasică a calculului cuantic este crucială pentru studiul algoritmilor cuantici și al arhitecturilor de calcul cuantic, în special pentru algoritmii cuantici euristici ca VQE. Cel mai mare experiment VQE realizat până în prezent pe un computer cuantic a folosit 12 qubiți. Un avantaj computațional cuantic relevant din punct de vedere industrial în chimia cuantică este de așteptat să apară la aproximativ 38 ≤ N ≤ 68 qubiți (sub ipoteza qubiților corectați de eroare), care este legat de o problemă de structură electronică, inclusiv
19 ≤ N ≤ 34 electroni.
În comparație cu RQC (Random Quantum Circuits), VQE (variational quantum eigensolver) este mult mai solicitant atât pentru computerele cuantice, cât și pentru cele clasice, de exemplu, numărul de porți CNOT implicate într-o simulare tipică de chimie computațională cuantică depășește rapid 1 milion cu cele utilizate în mod obișnuit. ansatz motivat fizic, cum ar fi cluster-ul cuplat unitar (UCC). Mai mult, circuitul cuantic parametric trebuie executat de mai multe ori, așa cum este tipic pentru algoritmii variaționali. Aceste efecte limitează majoritatea investigațiilor actuale ale VQE folosind computere clasice la probleme foarte mici (mai puțin de 20 de qubiți). Eliberarea limbajului de programare Julia pe arhitecturile Sunway și rularea lui eficientă a peste 20 de milioane de nuclee este, de asemenea, o sarcină extrem de provocatoare. Lucrarea din 2022 a stabilit standardul pentru simularea clasică la scară largă a chimiei computaționale cuantice și deschide calea pentru compararea aplicațiilor VQE pe computere cuantice zgomotoase pe termen scurt.
Q2 Chemistry este potrivită pentru simularea la scară largă a chimiei computaționale cuantice, bazată pe o combinație a Teoriei de încorporare a matricei de densitate și a statelor produsului matricei pentru a reduce scalarea exponențială a memoriei față de dimensiunea sistemului; a fost implementată o schemă personalizată de paralelizare pe trei niveluri, în funcție de natura problemei fizice și de arhitectura cu mai multe nuclee; Julia este folosită ca limbaj principal, ceea ce face programarea mai ușoară și permite performanțe de vârf aproape de C sau Fortran nativ; Au fost studiate sisteme chimice reale pentru a demonstra puterea Q2Chemistry în cuantificarea computațională a interacțiunilor proteinligand. După cunoștințele lor, aceasta este prima simulare de chimie computațională cuantică raportată
calcul pentru un sistem chimic real cu până la 100 de atomi și 1000 de qubiți folosind DMET-MPS-VQE (și 200 de qubiți folosind MPS-VQE) și se scară la aproximativ 20 de milioane de nuclee. Acest lucru deschide calea pentru benchmarking pe termen scurt
Experimente VQE pe computere cuantice cu aproximativ 100 de qubiți.
Un nou studiu arată că pentru probleme de interes real, cum ar fi calcularea stărilor energetice ale unui grup de atomi, simulările cuantice nu sunt încă mai precise decât cele ale calculatoarelor clasice.
Rezultatele studiului arată cât de aproape sunt computerele cuantice de a deveni instrumente utile de simulare atomică și moleculară pentru chimiști și oamenii de știință din materiale.
Garnet Chan de la Institutul de Tehnologie din California și colegii săi au efectuat simulări ale unei molecule și ale unui material folosind un procesor Google de 53 de qubiți numit Weber, bazat pe Sycamore.
Echipa a selectat două probleme de interes actual, fără a lua în considerare cât de bine ar putea fi ele pentru un circuit cuantic. Prima presupune calcularea stărilor energetice ale unui grup de 8 atomi de fier (Fe) și sulf (S) găsit în miezul catalitic al enzimei nitrogenazei. Această enzimă rupe legăturile puternice din moleculele de azot ca primul pas într-un proces biologic important numit fixarea azotului. Înțelegerea chimiei acestui proces ar putea fi valoroasă pentru dezvoltarea catalizatorilor artificiali de fixare a azotului pentru industria chimică.
Unul dintre obstacolele cheie în calea simulărilor cuantice precise este zgomotul - erori aleatorii atât în comutarea „porților” care efectuează operații logice cuantice, cât și în citirea stărilor lor de ieșire. Aceste erori se acumulează și limitează numărul de operațiuni de poartă pe care un calcul le poate pune în aplicare înainte ca zgomotul să domine. Cercetătorii au descoperit că simulările cu peste 300 de porți au fost copleșite de zgomot. Dar cu cât sistemul este mai complex, cu atât sunt necesare mai multe porți. Clusterul Fe-S, de exemplu, are interacțiuni pe distanță lungă între rotiri; pentru a fi reprezentate cu acuratețe, astfel de interacțiuni necesită multe porți.
Simulările au oferit predicții pentru spectrele de energie ale clusterului Fe-S și capacitatea de căldură a 𝛼-RuCl3 destul de bine, dar numai dacă sistemele simulate nu erau prea mari. Pentru 𝛼-RuCl3, echipa a putut obține rezultate semnificative doar pentru o bucată foarte mică de 6 atomi a rețelei cristaline; dacă creșteau dimensiunea la doar 10 atomi, zgomotul a copleșit producția. Iar constrângerile asupra operațiunilor cu porți au însemnat că doar aproximativ o cincime din resursele cuantice ale lui Weber ar putea fi folosite pentru calcul.
Chimie cuantică de ultimă generație pe IonQ Ion prins
Calculul cuantic a atras o atenție semnificativă pentru potențialul său de a rezolva anumite probleme de calcul mai eficient decât cu computerele clasice, mai ales că IBM a lansat primul computer cuantic accesibil în cloud și Google a demonstrat avantajul cuantic. Una dintre cele mai promițătoare aplicații ale sale este rezolvarea eficientă a problemelor de structură electronică: pentru a ilustra, luați în considerare că pentru o problemă care conține N orbitali de spin, numărul de biți clasici necesari pentru a reprezenta funcția de undă se scarifică combinatoriu cu N, în timp ce este pe un cuantic.
computerul este necesar doar N qubiți. Avantajul exponențial oferit de calculatoarele cuantice a motivat o mare parte de cercetări în dezvoltarea algoritmilor cuantici pentru a rezolva problema structurii electronice.
Algoritmul variațional cuantic eigensolver (VQE) este proiectat special pentru calculatoarele cuantice la scară intermediară pe termen scurt (NISQ) actuale. VQE estimează starea de bază a unui sistem prin implementarea unui circuit parametrizat superficial, care este optimizat în mod clasic pentru a minimiza variațional valoarea așteptată de energie. Algoritmul VQE permite utilizatorului să selecteze forma circuitului parametrizat.
Există o lucrare de cercetare de la compania de calculatoare cuantice Trapped Ion IonQ de 2 miliarde de dolari. Au obținut un nou record cu 12 qubiți și 72 de parametri. Dacă nu mă înșel, lucrarea Google cu 10 atomi și qubiți a fost depășită de această lucrare IonQ.
IonQ testează în prezent un sistem de qubit cu 35 de ioni prinși. Ionii prinși ar trebui, teoretic, să poată atinge qubiți perfecti din punct de vedere fizic. Cu toate acestea, există și alte surse de eroare în întregul sistem.
Lucrările supercomputerului Sunway pe mașini clasice care simulează atomi și IonQ și alte sisteme cuantice vor continua să avanseze și să alerge pentru a simula sisteme fizice atomice și moleculare din ce în ce mai mari.
Simulări de electroni corelați cu perechi optimizate orbital pe computere cuantice cu ioni prinși
Rezolvatoarele proprii cuantice variaționale (VQE) sunt printre cele mai promițătoare abordări pentru rezolvarea problemelor de structură electronică pe calculatoarele cuantice pe termen scurt. O provocare critică pentru VQE în practică este că trebuie să găsim un echilibru între expresivitatea ansatz-ului VQE față de numărul de porți cuantice necesare pentru implementarea ansatz-ului, având în vedere realitatea operațiunilor cuantice zgomotoase pe computerele cuantice pe termen scurt. În această lucrare, luăm în considerare o aproximare corelată cu perechi optimizată orbital la clusterul unitar cuplat cu ansatz simple și duble (uCCSD) și raportăm o implementare de circuit cuantic foarte eficient pentru arhitecturile cu ioni prinși. Arătăm că optimizarea orbitală poate recupera o energie suplimentară semnificativă de corelare a electronilor fără a sacrifica eficiența prin măsurători ale matricelor de densitate redusă (RDM) de ordin scăzut. În disocierea moleculelor mici, metoda oferă predicții precise calitativ în regimul puternic corelat atunci când rulează pe simulatoare cuantice fără zgomot. Pe calculatoarele cuantice cu ioni prinși Harmony și Aria de la IonQ, rulăm algoritmi VQE de la capăt la capăt cu până la 12 qubiți și 72 de parametri variaționali – cea mai mare simulare VQE completă cu o funcție de undă corelată pe hardware cuantic. Găsim că, chiar și fără tehnici de atenuare a erorilor, energiile relative prezise din diferite geometrii moleculare sunt în acord excelent cu simulatoarele fără zgomot.
Există dovezi ale avantajului cuantic exponențial în chimia cuantică.
Abstract
Ideea de a folosi dispozitive mecanice cuantice pentru a simula alte sisteme cuantice este de obicei atribuită lui Feynman. De la sugestia originală, au apărut propuneri concrete pentru simularea chimiei moleculare și a materialelor prin calcul cuantic, ca o potențială „aplicație ucigașă”. Indicațiile privind potențialul avantaj cuantic exponențial în sarcinile artificiale au crescut interesul pentru această aplicație, prin urmare, este esențial să înțelegem baza pentru potențialul avantaj cuantic exponențial în chimia cuantică. Aici adunăm dovezile pentru acest caz în cea mai comună sarcină din chimia cuantică, și anume, estimarea energiei stării fundamentale. Concluzionăm că dovezi pentru un astfel de avantaj exponențial în spațiul chimic încă nu au fost găsite. În timp ce computerele cuantice se pot dovedi în continuare utile pentru chimia cuantică, poate fi prudent să presupunem că accelerațiile exponențiale nu sunt disponibile în mod generic pentru această problemă.
Cercetătorii din Berkeley și din alte părți au examinat cazul pentru ipoteza avantajului cuantic exponențial (EQA) pentru sarcina centrală de determinare a stării fundamentale în chimia cuantică. Versiunea specifică a EQA pe care au examinat-o necesita ca pregătirea stării cuantice să fie exponențial ușoară în comparație cu euristica clasică, iar euristica clasică să fie exponențial dificilă. Simulările lor numerice evidențiază faptul că euristica este necesară pentru a obține o pregătire eficientă a stării fundamentale cuantice. În același timp, ei nu găsesc dovezi pentru scalarea exponențială a euristicii clasice într-un set de probleme relevante. Acesta din urmă sugerează că pregătirea stării cuantice poate fi eficientizată pentru aceleași probleme. Cu toate acestea, întrucât EQA se bazează pe raportul dintre costuri, acest lucru nu duce la EQA.
Calculele numerice nu sunt dovezi matematice ale asimptoticei în ceea ce privește dimensiunea și eroarea și nici nu pot exclude EQA în probleme specifice. Cu toate acestea, rezultatele lor sugerează că, fără perspective noi și fundamentale, poate exista o lipsă de EQA generic în această sarcină. Identificarea unui sistem chimic cuantic relevant cu dovezi puternice de EQA rămâne o întrebare deschisă. Ei nu au luat în considerare alte sarcini decât determinarea stării fundamentale și nici nu exclud accelerarea polinomială. În funcție de forma precisă, accelerațiile cuantice polinomiale ar putea fi asociate cu un avantaj cuantic util, deoarece chiar și un algoritm polinomial clasic nu înseamnă că soluțiile pot fi obținute într-un timp practic. Ambele aspecte se pot dovedi importante în dezvoltarea ulterioară a algoritmilor cuantici din chimia cuantică.
Brian Wang este un lider gânditor futurist și un popular blogger științific, cu 1 milion de cititori pe lună. Blogul său Nextbigfuture.com este clasat pe locul 1 pe Știrile știrilor. Acoperă multe tehnologii și tendințe perturbatoare, inclusiv spațiu, robotică, inteligență artificială, medicină, biotehnologie anti-îmbătrânire și nanotehnologie.
Cunoscut pentru identificarea tehnologiilor de vârf, el este în prezent co-fondator al unui startup și strângere de fonduri pentru companii cu potențial ridicat în faza incipientă. El este șeful cercetării pentru alocări pentru investiții în tehnologie profundă și un investitor înger la Space Angels.
Vorbitor frecvent la corporații, a fost vorbitor TEDx, vorbitor al Singularity University și invitat la numeroase interviuri pentru radio și podcast-uri. El este deschis vorbirii publice și consilierii angajamentelor.
