Hóa học lượng tử hiện đại năm 2022

Hóa học lượng tử rất khó. Hóa học tính toán lượng tử tốt nhất dường như ở mức 12 qubit/12 nguyên tử. Mô phỏng siêu máy tính có thể xử lý mô phỏng 20 qubit và 20 nguyên tử. Có những bài báo ban đầu cho thấy siêu máy tính cổ điển có thể đạt tới 100 nguyên tử và 1000 qubit cho một số loại mô phỏng. Máy tính lượng tử đang đẩy tới 35 ion bị bẫy có độ chính xác cao và đang nỗ lực đạt được mức giảm thiểu lỗi cũng như ngăn chặn lỗi vượt trội và cuối cùng là sửa lỗi bằng máy tính lượng tử. Những đột phá trong thuật toán dành cho siêu máy tính và hệ thống lượng tử vẫn đang tiếp tục diễn ra và có nhiều đối thủ cạnh tranh với các công nghệ lượng tử khác nhau đang tìm cách tạo ra những bước đột phá để mở rộng quy mô lên hàng nghìn triệu qubit cũng như phát triển khả năng quản lý lỗi vượt trội và hiệu quả hơn.

Có một bài báo vào năm 2022 nơi thực hiện mô phỏng lượng tử trên siêu máy tính Sunway. Ở giai đoạn hiện nay, mô phỏng cổ điển về tính toán lượng tử là rất quan trọng để nghiên cứu các thuật toán lượng tử và kiến ​​trúc điện toán lượng tử, đặc biệt là các thuật toán lượng tử heuristic như VQE. Thí nghiệm VQE lớn nhất được thực hiện trên máy tính lượng tử cho đến nay đã sử dụng 12 qubit. Lợi thế tính toán lượng tử phù hợp về mặt công nghiệp trong hóa học lượng tử dự kiến ​​​​sẽ xuất hiện ở khoảng 38 ≤ N 68 qubit (theo giả định về các qubit được sửa lỗi), liên quan đến một vấn đề cấu trúc điện tử bao gồm
19  N 34 electron.

So với RQC (Mạch lượng tử ngẫu nhiên), VQE (bộ giải riêng lượng tử biến thiên) đòi hỏi khắt khe hơn nhiều đối với cả máy tính lượng tử và máy tính cổ điển, ví dụ, số lượng cổng CNOT liên quan đến mô phỏng hóa học tính toán lượng tử điển hình nhanh chóng vượt quá 1 triệu cổng được sử dụng phổ biến. ansatz có động cơ vật lý chẳng hạn như cụm kết hợp đơn nhất (UCC). Hơn nữa, mạch lượng tử tham số phải được thực thi nhiều lần như điển hình của các thuật toán biến phân. Những hiệu ứng này giới hạn hầu hết các nghiên cứu hiện tại về VQE sử dụng máy tính cổ điển ở những vấn đề rất nhỏ (dưới 20 qubit). Việc giải phóng ngôn ngữ lập trình Julia trên kiến ​​trúc Sunway và chạy nó một cách hiệu quả trên 20 triệu lõi cũng là một nhiệm vụ cực kỳ khó khăn. Công trình năm 2022 đã đặt ra tiêu chuẩn cho mô phỏng cổ điển quy mô lớn về hóa học tính toán lượng tử và mở đường cho việc đo điểm chuẩn các ứng dụng VQE trên máy tính lượng tử có nhiễu trong thời gian ngắn.

Q2 Chemistry phù hợp để mô phỏng quy mô lớn của hóa học tính toán lượng tử, dựa trên sự kết hợp giữa Lý thuyết nhúng ma trận mật độ và Trạng thái sản phẩm ma trận để giảm tỷ lệ bộ nhớ theo cấp số nhân so với kích thước hệ thống; sơ đồ song song ba cấp tùy chỉnh đã được triển khai theo tính chất của vấn đề vật lý và kiến ​​trúc nhiều lõi; Julia được sử dụng làm ngôn ngữ chính, vừa giúp lập trình dễ dàng hơn vừa mang lại hiệu suất vượt trội gần giống với ngôn ngữ C hoặc Fortran bản địa; Các hệ thống hóa học thực tế đã được nghiên cứu để chứng minh sức mạnh của Q2Chemistry trong việc định lượng tính toán các tương tác phối tử protein. Theo hiểu biết tốt nhất của họ, đây là mô phỏng hóa học tính toán lượng tử đầu tiên được báo cáo
tính toán cho hệ thống hóa học thực tế có tới 100 nguyên tử và 1000 qubit sử dụng DMET-MPS-VQE (và 200 qubit sử dụng MPS-VQE) và có quy mô lên tới khoảng 20 triệu lõi. Điều này mở đường cho việc so chuẩn với thời hạn ngắn
Thí nghiệm VQE trên máy tính lượng tử với khoảng 100 qubit.

Một nghiên cứu mới cho thấy rằng đối với những vấn đề được thế giới thực quan tâm, chẳng hạn như tính toán trạng thái năng lượng của một cụm nguyên tử, mô phỏng lượng tử vẫn chưa chính xác hơn mô phỏng của máy tính cổ điển.

Kết quả nghiên cứu cho thấy máy tính lượng tử đang tiến gần đến mức nào để trở thành công cụ mô phỏng nguyên tử và phân tử hữu ích cho các nhà hóa học và nhà khoa học vật liệu.

Garnet Chan thuộc Viện Công nghệ California và các đồng nghiệp của ông đã thực hiện mô phỏng phân tử và vật liệu bằng bộ xử lý Google 53 qubit có tên là Weber, dựa trên Sycamore.

Đội nghiên cứu đã chọn ra hai vấn đề đang được quan tâm hiện nay mà không cân nhắc xem chúng có thể phù hợp đến mức nào với mạch lượng tử. Việc đầu tiên liên quan đến việc tính toán trạng thái năng lượng của cụm 8 nguyên tử sắt (Fe) và lưu huỳnh (S) được tìm thấy trong lõi xúc tác của enzyme nitơase. Enzym này phá vỡ các liên kết bền vững trong các phân tử nitơ, là bước đầu tiên trong một quá trình sinh học quan trọng gọi là cố định nitơ. Hiểu biết về tính chất hóa học của quá trình này có thể có giá trị cho việc phát triển các chất xúc tác cố định đạm nhân tạo cho ngành công nghiệp hóa chất.

Một trong những trở ngại chính đối với mô phỏng lượng tử chính xác là nhiễu – các lỗi ngẫu nhiên trong cả quá trình chuyển đổi các “cổng” thực hiện các phép toán logic lượng tử và trong việc đọc trạng thái đầu ra của chúng. Những lỗi này tích lũy và hạn chế số lượng thao tác cổng mà tính toán có thể thực hiện trước khi nhiễu chiếm ưu thế. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các mô phỏng với hơn 300 cổng bị lấn át bởi tiếng ồn. Nhưng hệ thống càng phức tạp thì càng cần nhiều cổng. Ví dụ, cụm Fe-S có tương tác tầm xa giữa các spin; để được biểu diễn chính xác, những tương tác như vậy đòi hỏi nhiều cổng.

Các mô phỏng đã cung cấp các dự đoán về phổ năng lượng của cụm Fe-S và nhiệt dung của 𝛼-RuCl3 ở mức khá tốt – nhưng chỉ khi các hệ mô phỏng không quá lớn. Đối với 𝛼-RuCl3, đội nghiên cứu chỉ có thể thu được những kết quả có ý nghĩa đối với một đoạn rất nhỏ gồm 6 nguyên tử của mạng tinh thể; nếu họ tăng kích thước lên chỉ 10 nguyên tử thì tiếng ồn sẽ lấn át đầu ra. Và những hạn chế đối với hoạt động của cổng có nghĩa là chỉ khoảng XNUMX/XNUMX tài nguyên lượng tử của Weber có thể được sử dụng để tính toán.

Hóa học lượng tử tiên tiến trên ion bị bẫy IonQ

Tính toán lượng tử đã thu hút sự chú ý đáng kể nhờ tiềm năng giải quyết một số vấn đề tính toán hiệu quả hơn so với máy tính cổ điển, đặc biệt kể từ khi IBM ra mắt máy tính lượng tử có thể truy cập trên nền tảng đám mây đầu tiên và Google đã chứng minh được lợi thế lượng tử. Một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất của nó là giải quyết các vấn đề về cấu trúc điện tử một cách hiệu quả: để minh họa, hãy xem xét rằng đối với một vấn đề chứa N quỹ đạo quay, số bit cổ điển cần thiết để biểu diễn hàm sóng có tỷ lệ tổ hợp với N, trong khi trên lượng tử
máy tính chỉ cần N qubit. Lợi thế theo cấp số nhân mà máy tính lượng tử mang lại đã thúc đẩy rất nhiều nghiên cứu phát triển các thuật toán lượng tử để giải quyết vấn đề cấu trúc điện tử.

Thuật toán bộ giải riêng lượng tử biến thiên (VQE) được thiết kế dành riêng cho các máy tính lượng tử quy mô trung gian (NISQ) ngắn hạn hiện tại. VQE ước tính trạng thái cơ bản của hệ thống bằng cách triển khai mạch tham số hóa nông, được tối ưu hóa theo kiểu cổ điển để giảm thiểu biến đổi giá trị kỳ vọng năng lượng. Thuật toán VQE cho phép người dùng chọn dạng mạch tham số hóa.

Có một bài nghiên cứu từ công ty máy tính lượng tử Trapped Ion trị giá 2 tỷ USD IonQ. Họ có được kỷ lục mới với 12 qubit và 72 thông số. Nếu tôi không nhầm thì công việc của Google với 10 nguyên tử và qubit đã bị IonQ này vượt qua.

IonQ hiện đang thử nghiệm hệ thống qubit 35 ion bị bẫy. Về mặt lý thuyết, ion bị bẫy có thể đạt được qubit hoàn hảo về mặt vật lý. Tuy nhiên, có những nguồn lỗi khác trong toàn bộ hệ thống.

Siêu máy tính Sunway hoạt động trên các máy cổ điển mô phỏng các nguyên tử và IonQ cũng như các hệ lượng tử khác sẽ tiếp tục tiến lên và chạy đua để mô phỏng các hệ thống nguyên tử và phân tử vật lý ngày càng lớn hơn.

Mô phỏng electron tương quan cặp được tối ưu hóa quỹ đạo trên máy tính lượng tử ion bị bẫy

Bộ giải riêng lượng tử biến phân (VQE) là một trong những phương pháp hứa hẹn nhất để giải các bài toán cấu trúc điện tử trên máy tính lượng tử trong thời gian ngắn. Một thách thức quan trọng đối với VQE trong thực tế là người ta cần đạt được sự cân bằng giữa độ biểu cảm của VQE ansatz so với số lượng cổng lượng tử cần thiết để triển khai ansatz, do thực tế các hoạt động lượng tử ồn ào trên máy tính lượng tử trong thời gian ngắn. Trong nghiên cứu này, chúng tôi xem xét phép tính gần đúng tương quan cặp được tối ưu hóa quỹ đạo với cụm ghép đơn nhất với ansatz đơn và đôi (uCCSD) và báo cáo việc triển khai mạch lượng tử hiệu quả cao cho các kiến ​​trúc ion bị bẫy. Chúng tôi cho thấy rằng tối ưu hóa quỹ đạo có thể phục hồi năng lượng tương quan điện tử bổ sung đáng kể mà không làm giảm hiệu quả thông qua các phép đo ma trận mật độ giảm bậc thấp (RDM). Trong quá trình phân ly của các phân tử nhỏ, phương pháp đưa ra dự đoán chính xác về mặt chất lượng trong chế độ tương quan mạnh khi chạy trên máy mô phỏng lượng tử không có tiếng ồn. Trên máy tính lượng tử ion bẫy Harmony và Aria của IonQ, chúng tôi chạy thuật toán VQE đầu cuối với tối đa 12 qubit và 72 tham số biến thiên – mô phỏng VQE đầy đủ lớn nhất với hàm sóng tương quan trên phần cứng lượng tử. Chúng tôi thấy rằng ngay cả khi không có các kỹ thuật giảm thiểu lỗi, năng lượng tương đối được dự đoán trên các dạng hình học phân tử khác nhau vẫn rất phù hợp với các mô phỏng không có tiếng ồn.

Có bằng chứng nào về Lợi thế lượng tử theo cấp số nhân trong Hóa học lượng tử hay không.

Tóm tắt
Ý tưởng sử dụng các thiết bị cơ học lượng tử để mô phỏng các hệ lượng tử khác thường được gán cho Feynman. Kể từ đề xuất ban đầu, các đề xuất cụ thể đã xuất hiện để mô phỏng hóa học phân tử và vật liệu thông qua tính toán lượng tử, như một “ứng dụng sát thủ” tiềm năng. Các dấu hiệu về lợi thế lượng tử theo cấp số nhân tiềm năng trong các nhiệm vụ nhân tạo đã làm tăng sự quan tâm đến ứng dụng này, do đó, điều quan trọng là phải hiểu cơ sở cho lợi thế lượng tử theo cấp số nhân tiềm năng trong hóa học lượng tử. Ở đây chúng tôi thu thập bằng chứng cho trường hợp này trong nhiệm vụ phổ biến nhất trong hóa học lượng tử, cụ thể là ước tính năng lượng trạng thái cơ bản. Chúng tôi kết luận rằng bằng chứng về lợi thế theo cấp số nhân như vậy trong không gian hóa học vẫn chưa được tìm thấy. Mặc dù máy tính lượng tử vẫn có thể tỏ ra hữu ích cho hóa học lượng tử, nhưng có thể thận trọng khi cho rằng việc tăng tốc theo cấp số nhân nói chung không có sẵn cho vấn đề này.

Các nhà nghiên cứu từ Berkeley và những nơi khác đã xem xét trường hợp giả thuyết lợi thế lượng tử theo cấp số nhân (EQA) cho nhiệm vụ trọng tâm là xác định trạng thái cơ bản trong hóa học lượng tử. Phiên bản cụ thể của EQA mà họ đã kiểm tra yêu cầu việc chuẩn bị trạng thái lượng tử phải dễ dàng theo cấp số nhân so với các phương pháp phỏng đoán cổ điển và đối với các phương pháp phỏng đoán cổ điển phải khó theo cấp số nhân. Mô phỏng số của họ nhấn mạnh rằng phương pháp phỏng đoán là cần thiết để đạt được sự chuẩn bị trạng thái cơ bản lượng tử hiệu quả. Đồng thời, họ không tìm thấy bằng chứng cho sự mở rộng theo cấp số nhân của phương pháp phỏng đoán cổ điển trong một tập hợp các vấn đề liên quan. Điều thứ hai gợi ý rằng việc chuẩn bị trạng thái lượng tử có thể được thực hiện hiệu quả cho các vấn đề tương tự. Tuy nhiên, vì EQA dựa trên tỷ lệ chi phí nên điều này không dẫn đến EQA.

Các phép tính bằng số không phải là bằng chứng toán học của tính tiệm cận về kích thước và sai số, cũng như không thể loại trừ EQA trong các bài toán cụ thể. Tuy nhiên, kết quả của họ cho thấy rằng nếu không có những hiểu biết mới và cơ bản thì có thể thiếu EQA chung trong nhiệm vụ này. Việc xác định một hệ thống hóa học lượng tử có liên quan với bằng chứng mạnh mẽ về EQA vẫn là một câu hỏi mở. Họ không xem xét các nhiệm vụ khác ngoài việc xác định trạng thái cơ bản và cũng không loại trừ việc tăng tốc đa thức. Tùy thuộc vào dạng chính xác, việc tăng tốc lượng tử đa thức có thể liên quan đến lợi thế lượng tử hữu ích, vì ngay cả thuật toán cổ điển đa thức cũng không có nghĩa là có thể thu được giải pháp trong thời gian thực tế. Cả hai khía cạnh này có thể tỏ ra quan trọng trong sự phát triển hơn nữa của các thuật toán lượng tử trong hóa học lượng tử.