_ Oamenii de știință furnizează algoritm cuantic pentru a dezvolta noi materiale și chimie

S.U.A. Oamenii de știință de la Naval Research Laboratory (NRL) au publicat algoritmul Cascaded Variational Quantum Eigensolver (CVQE) într-un articol recent Physical Review Research. Algoritmul este de așteptat să devină un instrument puternic pentru a investiga proprietățile fizice în sistemele electronice.

Algoritmul CVQE este o variantă a algoritmului Variational Quantum Eigensolver (VQE) care necesită doar execuția unui set de valori cuantice. circuite o dată, mai degrabă decât la fiecare iterație în timpul procesului de optimizare a parametrilor, crescând astfel randamentul de calcul.

„Ambele algoritmi produc o stare cuantică apropiată de starea fundamentală a unui sistem, care este folosită pentru a determina multe dintre proprietățile fizice ale sistemului”, a spus John Stenger, Ph.D., un fizician de cercetare la Secția de chimie teoretică. „Calculele care anterior durau luni pot fi efectuate acum în ore.”

Algoritmul CVQE folosește un computer cuantic pentru a sonda funcțiile de masă de probabilitate necesare și un computer clasic pentru a efectua calculele rămase, inclusiv minimizarea energiei.

„Găsirea energiei minime este dificilă din punct de vedere computațional, deoarece dimensiunea spațiului de stare crește exponențial odată cu dimensiunea sistemului”, a spus Steve Hellberg, Ph.D., un fizician de cercetare al Secției Teoria Materialelor Funcționale Avansate. „Cu excepția sistemelor foarte mici, chiar și cele mai puternice supercalculatoare din lume nu sunt în măsură să găsească starea fundamentală exactă.”

Pentru a face față acestei provocări, oamenii de știință folosesc un computer cuantic cu un registru qubit, al cărui spațiu de stare crește, de asemenea, exponențial, în acest caz cu qubiți. Reprezentând stările unui sistem fizic pe spațiul de stări al registrului, un computer cuantic poate fi folosit pentru a simula stările din spațiul de reprezentare exponențial mare al sistemului.

Datele pot fi extrase ulterior prin cuantum. măsurători. Deoarece măsurătorile cuantice nu sunt deterministe, execuțiile circuitului cuantic trebuie repetate de mai multe ori pentru a estima distribuțiile de probabilitate care descriu stările, un proces cunoscut sub numele de eșantionare. Algoritmii cuantici variaționali, inclusiv algoritmul CVQE, identifică stările de încercare printr-un set de parametri care sunt optimizați pentru a minimiza energia.

„Diferența cheie dintre metoda VQE originală și noua metodă CVQE este că eșantionarea iar procesele de optimizare au fost decuplate în acesta din urmă, astfel încât eșantionarea să poată fi efectuată exclusiv pe computerul cuantic, iar parametrii procesați exclusiv pe un computer clasic”, a declarat Dan Gunlycke, D.Phil., șeful secției de chimie teoretică, care conduce, de asemenea, Efortul de calcul cuantic NRL.

„Noua abordare are și alte beneficii. Forma spațiului soluției nu trebuie să se conformeze cerințelor de simetrie ale registrului qubit și, prin urmare, este mult mai ușor de modelat. spațiul soluției și implementează simetriile sistemului și alte constrângeri motivate fizic, care în cele din urmă vor duce la predicții mai precise ale proprietăților sistemului electronic”, a continuat Gunlycke.

Calculul cuantic este o componentă a științei cuantice, care a a fost desemnat ca zonă tehnologică critică în cadrul viziunii tehnologice USD(R&E) pentru o eră a concurenței de către subsecretarul pentru cercetare și inginerie Heidi Shyu.

„Înțelegerea proprietăților sistemelor mecanice cuantice este esențial în dezvoltarea de noi materiale și chimie pentru Marina și Corpul Marin”, a spus Gunlycke. „Coroziunea, de exemplu, este o provocare omniprezentă care costă Ministerul Apărării miliarde în fiecare an. Algoritmul CVQE poate fi folosit pentru a studia reacțiile chimice care provoacă coroziune și pentru a oferi informații critice echipelor noastre anticorozive existente în încercarea lor de a dezvolta acoperiri și aditivi mai buni. ."

De zeci de ani, NRL a efectuat cercetări fundamentale în știința cuantică, care are potențialul de a produce tehnologii de apărare perturbatoare pentru precizie, navigație și sincronizare; detecție cuantică; calcul cuantic; și rețele cuantice.

(Fluierul)