2022'de Son Teknoloji Kuantum Kimyası

Kuantum kimyası çok zordur. En iyi kuantum hesaplama kimyası 12 kübit / 12 atom seviyesinde olacak gibi görünüyor. Süper bilgisayar simülasyonları 20 kübit ve 20 atom simülasyonunu işleyebilir. Klasik süper bilgisayarların bazı simülasyon türleri için 100 atoma ve 1000 kübite ulaşabileceğini öne süren ilk makaleler var. Kuantum bilgisayarlar 35'e kadar yüksek doğrulukta tuzaklanmış iyonu zorluyor ve kuantum bilgisayarlarla üstün hata azaltma, hata bastırma ve nihai hata düzeltme elde etmek için çalışmalar yapılıyor. Süper bilgisayarlar ve kuantum sistemleri için algoritmalarda atılımlar devam ediyor ve farklı kuantum teknolojilerine sahip birçok rakip, binlerce ve milyonlarca kübite ölçeklendirmek ve üstün ve daha verimli hata yönetimi geliştirmek için atılımlar yapmak istiyor.

2022'de Sunway süper bilgisayarında kuantum simülasyonlarının gerçekleştirildiği bir makale vardı. Şu anki aşamada, kuantum hesaplamanın klasik simülasyonu, kuantum algoritmalarının ve kuantum hesaplama mimarilerinin, özellikle de VQE gibi sezgisel kuantum algoritmalarının incelenmesi için çok önemlidir. Bugüne kadar bir kuantum bilgisayarda gerçekleştirilen en büyük VQE deneyinde 12 kübit kullanıldı. Kuantum kimyasında endüstriyel açıdan anlamlı bir kuantum hesaplama avantajının, aşağıdakileri içeren bir elektronik yapı problemiyle ilgili olan, yaklaşık 38 ≤ N ≤ 68 kübitte (hata düzeltilmiş kübitler varsayımı altında) ortaya çıkması beklenmektedir.
19 ≤ N ≤ 34 elektron.

RQC (Rastgele Kuantum Devreleri) ile karşılaştırıldığında, VQE (varyasyonel kuantum özçözücü), hem kuantum hem de klasik bilgisayarlar için çok daha zorludur; örneğin, tipik bir kuantum hesaplamalı kimya simülasyonunda yer alan CNOT geçitlerinin sayısı, yaygın olarak kullanılanlarla hızla 1 milyonun üzerine çıkar. üniter birleşik küme (UCC) gibi fiziksel olarak motive edilen ansatzlar. Dahası, parametrik kuantum devresinin, varyasyonel algoritmalarda olduğu gibi birçok kez yürütülmesi gerekir. Bu etkiler, klasik bilgisayarların kullanıldığı mevcut VQE araştırmalarının çoğunu çok küçük problemlerle (20 kübitten az) sınırlandırmaktadır. Julia programlama dilini Sunway mimarilerinde serbest bırakmak ve onu 20 milyonun üzerinde çekirdeği verimli bir şekilde çalıştırmak da son derece zorlu bir iştir. 2022 çalışması, kuantum hesaplamalı kimyanın büyük ölçekli klasik simülasyonu için standardı belirledi ve yakın vadeli gürültülü kuantum bilgisayarlarda VQE uygulamalarının karşılaştırılmasının önünü açtı.

Q2 Chemistry, sistem boyutuna göre üstel bellek ölçeklendirmesini azaltmak için Yoğunluk Matrisi Gömme Teorisi ve Matris Ürün Durumlarının bir kombinasyonunu temel alan kuantum hesaplamalı kimyanın büyük ölçekli simülasyonu için uygundur; fiziksel problemin doğasına ve çok çekirdekli mimariye göre özelleştirilmiş üç seviyeli bir paralelleştirme şeması uygulandı; Julia, hem programlamayı kolaylaştıran hem de yerel C veya Fortran'a yakın üstün performans sağlayan birincil dil olarak kullanılır; Q2Chemistry'nin protein ligand etkileşimlerinin hesaplamalı miktarının belirlenmesindeki gücünü göstermek için gerçek kimyasal sistemler incelenmiştir. Bildikleri kadarıyla bu, bildirilen ilk kuantum hesaplamalı kimya simülasyonudur.
DMET-MPS-VQE kullanılarak 100 atom ve 1000 kübit (ve MPS-VQE kullanılarak 200 kübit) kullanılarak gerçek kimyasal sistem için hesaplama yapılır ve yaklaşık 20 milyon çekirdeğe ölçeklendirilir. Bu, yakın vadeli karşılaştırmaların yolunu açıyor
Yaklaşık 100 kübitlik kuantum bilgisayarlarda VQE deneyleri.

Yeni bir çalışma, bir atom kümesinin enerji durumlarının hesaplanması gibi gerçek dünyayı ilgilendiren problemler için, Kuantum simülasyonları henüz klasik bilgisayarlarınkinden daha doğru değil.

Çalışma sonuçları, kuantum bilgisayarların kimyagerler ve malzeme bilimcileri için kullanışlı atomik ve moleküler simülasyon araçları olmaya ne kadar yakın olduğunu gösteriyor.

Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü'nden Garnet Chan ve çalışma arkadaşları, Sycamore'u temel alan Weber adlı 53 kübitlik Google işlemcisini kullanarak bir molekül ve malzemenin simülasyonlarını gerçekleştirdiler.

Ekip, kuantum devresine ne kadar uygun olabileceklerini düşünmeden, güncel ilgi konusu olan iki problemi seçti. Birincisi, nitrojenaz enziminin katalitik çekirdeğinde bulunan 8 atomlu demir (Fe) ve kükürt (S) kümesinin enerji durumlarının hesaplanmasını içerir. Bu enzim, nitrojen fiksasyonu adı verilen önemli bir biyolojik sürecin ilk adımı olarak nitrojen moleküllerindeki güçlü bağları kırar. Bu sürecin kimyasını anlamak, kimya endüstrisi için yapay nitrojen sabitleyici katalizörlerin geliştirilmesi açısından değerli olabilir.

Doğru kuantum simülasyonlarının önündeki en önemli engellerden biri gürültüdür; hem kuantum mantık işlemlerini gerçekleştiren "geçitlerin" anahtarlanmasında hem de bunların çıkış durumlarının okunmasında meydana gelen rastgele hatalar. Bu hatalar birikir ve gürültü hakim olmadan önce bir hesaplamanın gerçekleştirebileceği kapı operasyonlarının sayısını kısıtlar. Araştırmacılar, 300'den fazla kapıya sahip simülasyonların gürültüden etkilendiğini buldu. Ancak sistem ne kadar karmaşıksa, o kadar fazla kapıya ihtiyaç duyulur. Örneğin Fe-S kümesinin spinler arasında uzun menzilli etkileşimleri vardır; Doğru bir şekilde temsil edilebilmesi için bu tür etkileşimler birçok kapı gerektirir.

Simülasyonlar, Fe-S kümesinin enerji spektrumları ve 𝛼-RuCl3'ün ısı kapasitesi için oldukça iyi tahminler sağladı; ancak yalnızca simüle edilen sistemler çok büyük değilse. 𝛼-RuCl3 için ekip, kristal kafesin yalnızca 6 atomluk çok küçük bir parçası için anlamlı sonuçlar elde edebildi; boyutu yalnızca 10 atoma çıkarsalardı, gürültü çıktıyı bastırırdı. Ve kapı operasyonlarındaki kısıtlamalar, Weber'in kuantum kaynaklarının yalnızca beşte birinin hesaplama için kullanılabileceği anlamına geliyordu.

IonQ Sıkışmış İyonda Son Teknoloji Kuantum Kimyası

Kuantum hesaplama, özellikle IBM'in buluttan erişilebilen ilk kuantum bilgisayarını piyasaya sürmesinden ve Google'ın kuantum avantajını göstermesinden bu yana, belirli hesaplama sorunlarını klasik bilgisayarlara göre daha verimli bir şekilde çözme potansiyeli nedeniyle büyük ilgi gördü. En umut verici uygulamalarından biri, elektronik yapı problemlerini verimli bir şekilde çözmektir: örnek olarak, N spin yörüngesi içeren bir problem için, dalga fonksiyonunu temsil etmek için gereken klasik bitlerin sayısı, kuantum üzerindeyken N ile kombinatoryal olarak ölçeklenir.
yalnızca bilgisayar N kübite ihtiyaç duyar. Kuantum bilgisayarların sunduğu üstel avantaj, elektronik yapı problemini çözmek için kuantum algoritmalarının geliştirilmesine yönelik birçok araştırmayı motive etti.

Değişken kuantum özçözücü (VQE) algoritması, mevcut yakın vadeli orta ölçekli kuantum (NISQ) bilgisayarları için özel olarak tasarlanmıştır. VQE, enerji beklenti değerini değişken olarak en aza indirmek için klasik olarak optimize edilmiş sığ parametreli bir devre uygulayarak bir sistemin temel durumunu tahmin eder. VQE algoritması kullanıcının parametreli devrenin biçimini seçmesine olanak tanır.

2 milyar dolarlık Trapped Ion kuantum bilgisayar şirketi IonQ'nun bir araştırma makalesi var. 12 kübit ve 72 parametreyle yeni bir rekora imza attılar. Yanılmıyorsam Google'ın 10 atom ve kübit ile yaptığı çalışma, bu IonQ çalışmasıyla geride kaldı.

IonQ şu anda 35 tuzaklı iyon kübit sistemini test ediyor. Sıkışmış iyonun teorik olarak fiziksel olarak mükemmel kübitlere ulaşabilmesi gerekir. Ancak sistemin tamamında başka hata kaynakları da var.

Sunway süper bilgisayarı, atomları simüle eden klasik makineler üzerinde çalışıyor ve IonQ ile diğer kuantum sistemleri, giderek daha büyük fiziksel atomik ve moleküler sistemleri simüle etme konusunda ilerlemeye ve yarışmaya devam edecek.

Tuzaklanmış iyon kuantum bilgisayarlarında yörünge optimizasyonlu çift bağlantılı elektron simülasyonları

Varyasyonel kuantum özçözücüler (VQE), yakın vadeli kuantum bilgisayarlarda elektronik yapı problemlerini çözmek için en umut verici yaklaşımlar arasındadır. Uygulamada VQE için kritik bir zorluk, yakın vadeli kuantum bilgisayarlarındaki gürültülü kuantum operasyonlarının gerçekliği göz önüne alındığında, VQE ansatz'ın ifade edilebilirliği ile ansatz'ı uygulamak için gereken kuantum kapılarının sayısı arasında bir denge kurmanın gerekli olmasıdır. Bu çalışmada, tekli ve çiftli (uCCSD) ansatz içeren üniter bağlı kümeye yörünge optimizasyonlu çift korelasyonlu bir yaklaşım ele alıyoruz ve tuzaklanmış iyon mimarileri için yüksek verimli bir kuantum devre uygulamasını rapor ediyoruz. Yörünge optimizasyonunun, düşük dereceli azaltılmış yoğunluk matrislerinin (RDM'ler) ölçümleri yoluyla verimlilikten ödün vermeden önemli miktarda ek elektron korelasyon enerjisini geri kazanabildiğini gösteriyoruz. Küçük moleküllerin ayrışmasında yöntem, gürültüsüz kuantum simülatörlerinde çalışırken güçlü korelasyon rejiminde niteliksel olarak doğru tahminler verir. IonQ'nun Harmony ve Aria tuzaklanmış iyon kuantum bilgisayarlarında, 12 kubit ve 72 değişken parametreye kadar uçtan uca VQE algoritmaları çalıştırıyoruz; bu, kuantum donanımında ilişkili dalga fonksiyonuna sahip en büyük tam VQE simülasyonudur. Hata azaltma teknikleri olmasa bile, farklı moleküler geometrilerde tahmin edilen bağıl enerjilerin gürültüsüz simülatörlerle mükemmel uyum içinde olduğunu bulduk.

Kuantum kimyasında üstel kuantum avantajının kanıtı var mı?

Özet
Diğer kuantum sistemlerini simüle etmek için kuantum mekaniksel cihazları kullanma fikri genellikle Feynman'a atfedilir. Orijinal öneriden bu yana, potansiyel bir "önleyici uygulama" olarak moleküler ve malzeme kimyasını kuantum hesaplama yoluyla simüle etmeye yönelik somut öneriler ortaya çıktı. Yapay görevlerde potansiyel üstel kuantum avantajının göstergeleri bu uygulamaya olan ilgiyi arttırmıştır, bu nedenle kuantum kimyasındaki potansiyel üstel kuantum avantajının temelini anlamak kritik öneme sahiptir. Burada, kuantum kimyasındaki en yaygın görev olan temel durum enerji tahmininde bu duruma ilişkin kanıtları topluyoruz. Kimyasal uzayda böylesine üstel bir avantaja dair kanıtın henüz bulunamadığı sonucuna vardık. Kuantum bilgisayarları kuantum kimyası için hala faydalı olsa da, üstel hızlanmaların bu sorun için genel olarak mevcut olmadığını varsaymak ihtiyatlı olabilir.

Berkeley'den ve başka yerlerden araştırmacılar, kuantum kimyasındaki temel durum belirleme görevi için üstel kuantum avantajı (EQA) hipotezi durumunu incelediler. İnceledikleri EQA'nın spesifik versiyonu, kuantum durum hazırlığının klasik buluşsal yöntemlere kıyasla katlanarak kolay olmasını ve klasik buluşsal yöntemler için ise üstel olarak zor olmasını gerektiriyordu. Sayısal simülasyonları, verimli kuantum temel durum hazırlığı elde etmek için buluşsal yöntemlerin gerekli olduğunu vurgulamaktadır. Aynı zamanda, bir dizi ilgili problemde klasik buluşsal yöntemlerin üstel ölçeklendirilmesine ilişkin kanıt bulamıyorlar. İkincisi, kuantum durum hazırlığının aynı problemler için verimli hale getirilebileceğini öne sürüyor. Ancak DKK maliyetlerin oranına dayandığından bu durum DKK'ye yol açmaz.

Sayısal hesaplamalar, boyut ve hata açısından asimptotiklerin matematiksel kanıtı değildir ve belirli problemlerde EQA'yı hariç tutamaz. Ancak sonuçları, yeni ve temel anlayışlar olmadan bu görevde genel DKK'nın eksik olabileceğini göstermektedir. Güçlü DQA kanıtlarıyla ilgili bir kuantum kimyasal sisteminin belirlenmesi açık bir soru olmaya devam etmektedir. Temel durum belirleme dışındaki görevleri dikkate almadılar ve polinom hızlandırmalarını da göz ardı etmediler. Kesin forma bağlı olarak, polinom kuantum hızlandırmaları yararlı kuantum avantajıyla ilişkilendirilebilir, çünkü polinom klasik algoritması bile çözümlerin pratik bir sürede elde edilebileceği anlamına gelmez. Her iki husus da kuantum kimyasında kuantum algoritmalarının daha da geliştirilmesinde önemli olabilir.