Komputery kwantowe to wciąż głównie wielkie oczekiwania – świat czeka na nowe, rewolucyjne możliwości. W branży chemicznej możliwość lepszej symulacji procesów może mieć ogromny wpływ np. na opracowywanie nowych materiałów czy leków.

"Komputery kwantowe mogłyby teoretycznie być wykorzystywane do obsługi przypadków, w których elektrony i jądra atomowe poruszają się w bardziej skomplikowany sposób. Jeśli nauczymy się wykorzystywać ich pełny potencjał, powinniśmy być w stanie przekroczyć granice tego, co jest możliwe do obliczenia i zrozumienia" - mówi Martin Rahm, profesor nadzwyczajny w dziedzinie chemii teoretycznej na Wydziale Chemii i Inżynierii Chemicznej, który kierował badaniami.

Zobacz również:

• Kwanty od OVHCloud dla edukacji
• NASK przetestuje nową polską technologię kwantową
• Najnowsze badanie dotyczące AI: praca będzie, ale będzie jej mniej

W dziedzinie chemii kwantowej prawa mechaniki kwantowej są wykorzystywane do zrozumienia, jakie reakcje chemiczne są możliwe, jakie struktury i materiały mogą być opracowane i jakie mają właściwości. Badania takie podejmowane są zwykle przy pomocy superkomputerów, zbudowanych z konwencjonalnych układów logicznych. Istnieje jednak granica, z jakimi obliczeniami mogą sobie poradzić konwencjonalne komputery. Ponieważ prawa mechaniki kwantowej opisują zachowanie przyrody na poziomie subatomowym, wielu badaczy uważa, że komputer kwantowy powinien być lepiej dostosowany do wykonywania obliczeń molekularnych niż komputer konwencjonalny.

"Większość rzeczy na tym świecie jest z natury chemiczna. Na przykład nasze nośniki energii, zarówno w obrębie biologii, jak i w starych czy nowych samochodach, składają się z elektronów i jąder atomowych ułożonych na różne sposoby w cząsteczkach i materiałach. Niektóre z problemów, które rozwiązujemy w dziedzinie chemii kwantowej, polegają na obliczeniu, które z tych układów są bardziej prawdopodobne lub korzystne, wraz z ich charakterystyką" - mówi Martin Rahm.

Przed komputerami kwantowymi jest jeszcze daleka droga. Ta dziedzina badań jest wciąż młoda, a niewielkie obliczenia modelowe, są skomplikowane przez szumy z otoczenia komputera kwantowego. Jednak Martin Rahm i jego koledzy znaleźli metodę, którą uważają za ważny krok naprzód - Reference-State Error Mitigation (REM). Metoda działa poprzez korygowanie błędów, które występują z powodu szumu, wykorzystując obliczenia zarówno z komputera kwantowego, jak i konwencjonalnego.

"Badanie jest dowodem na to, że nasza metoda może poprawić jakość obliczeń kwantowo-chemicznych. Jest to przydatne narzędzie, które wykorzystamy do poprawy naszych obliczeń na komputerach kwantowych w przyszłości" - mówi Martin Rahm.

Metoda działa w ten sposób, że najpierw rozważa się stan odniesienia poprzez opisanie i rozwiązanie tego samego problemu zarówno na komputerze konwencjonalnym, jak i kwantowym. Ten stan odniesienia reprezentuje prostszy opis cząsteczki niż oryginalny problem przeznaczony do rozwiązania przez komputer kwantowy. Komputer konwencjonalny może szybko rozwiązać tę prostszą wersję problemu. Porównując wyniki z obu komputerów, można dokładnie oszacować wielkość błędu spowodowanego szumem. Różnica między rozwiązaniami obu komputerów dla problemu referencyjnego może być następnie wykorzystana do skorygowania rozwiązania oryginalnego, bardziej złożonego problemu, gdy jest on uruchamiany na procesorze kwantowym. Dzięki połączeniu tej nowej metody z danymi z należącego do Chalmers komputera kwantowego Särimner, naukowcom udało się obliczyć energię wewnętrzną małych przykładowych cząsteczek, takich jak wodór i wodorek litu. Równoważne obliczenia można przeprowadzić szybciej na konwencjonalnym komputerze, ale nowa metoda stanowi ważny postęp i jest pierwszą demonstracją kwantowych obliczeń chemicznych na komputerze kwantowym w Szwecji.

"Widzimy możliwości dalszego rozwoju metody, aby umożliwić obliczenia większych i bardziej złożonych cząsteczek, kiedy następna generacja komputerów kwantowych będzie gotowa" - mówi Martin Rahm.

Badania były prowadzone w ścisłej współpracy z naukowcami z Wydziału Mikrotechnologii i Nanonauki. Zbudowali oni komputery kwantowe, które są wykorzystywane w badaniu, a także pomogli wykonać wrażliwe pomiary, które są potrzebne do obliczeń chemicznych.

"Tylko dzięki zastosowaniu prawdziwych algorytmów kwantowych możemy zrozumieć, jak naprawdę działa nasz sprzęt i jak możemy go ulepszyć. Obliczenia chemiczne to jeden z pierwszych obszarów, w których naszym zdaniem komputery kwantowe będą przydatne, więc nasza współpraca z grupą Martina Rahma jest szczególnie cenna" - mówi Jonas Bylander, profesor nadzwyczajny w dziedzinie technologii kwantowej na Wydziale Mikrotechnologii i Nanonauki.

Źródło: Uniwersytet Technologiczny Chalmers.