Если вы знаете, из каких атомов состоит конкретная молекула или твердый материал, взаимодействия между этими атомами можно определить вычислительным путем, решая уравнения квантовой механики — по крайней мере, если молекула маленькая и простая. Однако решение этих уравнений, имеющих решающее значение для областей от инженерии материалов до разработки лекарств, требует непомерно большого времени вычислений для сложных молекул и материалов.

Теперь исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Притцкеровской школы молекулярной инженерии (PME) Чикагского университета и Департамента химии изучили возможность решения этих электронных структур с помощью квантового компьютера.

Исследование, в котором используется комбинация новых вычислительных подходов, было опубликовано в Интернете в Журнале химической теории и вычислений . Его поддержали Q-NEXT, Национальный исследовательский центр квантовой информации Министерства энергетики США, возглавляемый Аргонном, и Интегрированный центр вычислительных материалов Среднего Запада (MICCoM).

«Это захватывающий шаг к использованию квантовых компьютеров для решения сложных задач вычислительной химии », — сказала Джулия Галли, руководившая исследованием вместе с Марко Говони, штатным научным сотрудником Аргоннского университета и членом Чикагского консорциума по передовым наукам и инженерии (CASE).

Вычислительная задача

Прогнозирование электронной структуры материала включает в себя решение сложных уравнений, которые определяют, как взаимодействуют электроны, а также моделирование того, как различные возможные структуры сравниваются друг с другом по их общим энергетическим уровням.

В отличие от обычных компьютеров, которые хранят информацию в двоичных битах, квантовые компьютеры используют кубиты, которые могут существовать в суперпозиции состояний, что позволяет им легче и быстрее решать определенные задачи. Химики-вычислители спорят о том, смогут ли квантовые компьютеры в конечном итоге решить проблему электронной структуры сложных материалов лучше, чем обычные компьютеры, и если да, то когда. Однако современные квантовые компьютеры остаются относительно небольшими и производят зашумленные данные.

Даже с этими недостатками Галли и ее коллеги задавались вопросом, смогут ли они добиться прогресса в создании базовых методов квантовых вычислений , необходимых для решения проблем электронной структуры на квантовых компьютерах.

«Вопрос, который мы действительно хотели решить, заключается в том, что можно сделать с нынешним состоянием квантовых компьютеров», — сказал Говони. «Мы задались вопросом: даже если результаты квантовых компьютеров зашумлены, могут ли они все же быть полезны для решения интересных задач в материаловедении?»

Итеративный процесс

Исследователи разработали процесс гибридного моделирования с использованием квантовых компьютеров IBM. В их подходе небольшое количество кубитов — от четырех до шести — выполняет часть вычислений, а затем результаты обрабатываются с помощью классического компьютера.

«Мы разработали итеративный вычислительный процесс, который использует сильные стороны как квантовых, так и обычных компьютеров», — сказал Бенчен Хуанг, аспирант Galli Group и первый автор новой статьи.

После нескольких итераций процесс моделирования смог обеспечить правильные электронные структуры нескольких спиновых дефектов в твердотельных материалах. Кроме того, команда разработала новый подход к уменьшению ошибок, помогающий контролировать собственные шумы, создаваемые квантовым компьютером, и обеспечивать точность результатов.

Намеки на будущее

На данный момент электронные структуры, решаемые с помощью нового квантового вычислительного подхода, уже могут быть решены с помощью обычного компьютера. Таким образом, давний спор о том, может ли квантовый компьютер превзойти классический в решении проблем электронной структуры, еще не разрешен.

Однако результаты, полученные с помощью нового метода, открывают путь квантовым компьютерам для работы с более сложными химическими структурами.

«Когда мы увеличим его до 100 кубитов вместо 4 или 6, мы думаем, что у нас может быть преимущество перед обычными компьютерами», — сказал Хуанг. — Но точно время покажет.

Исследовательская группа планирует продолжать совершенствовать и расширять свой подход, а также использовать его для решения различных типов электронных задач, таких как молекулы в присутствии растворителей, а также молекулы и материалы в возбужденном состоянии.