Verso un computer quantistico che calcola l’energia molecolare

L’algoritmo ibrido utilizza un computer classico e quantistico per calcolare l’energia dello stato fondamentale. Ciò aiuterà i ricercatori a sviluppare nuovi materiali per diverse applicazioni, compresi gli obiettivi di sostenibilità. Crediti: Nicoletta Barolini

I computer quantistici stanno diventando sempre più grandi, ma ci sono ancora pochi modi pratici per sfruttare la loro potenza di calcolo extra. Per superare questo ostacolo, i ricercatori stanno progettando algoritmi per facilitare la transizione dai computer classici a quelli quantistici. In un nuovo studio in natura, i ricercatori svelano un algoritmo che riduce gli errori statistici, o rumore, prodotti dai bit quantistici, o qubit, nelle equazioni chimiche.

Sviluppato dal professore di chimica della Columbia David Reichman Lee e dai ricercatori post-dottorato presso Google Quantum AI, l’algoritmo utilizza fino a 16 qubit su Sycamore, il computer a 53 qubit di Google, per calcolare l’energia dello stato fondamentale, lo stato energetico più basso di una molecola. “Questi sono i più grandi calcoli di chimica quantistica che siano mai stati eseguiti su un vero dispositivo quantistico”, ha detto Reichman.

La capacità di calcolare con precisione l’energia dello stato fondamentale consentirà ai chimici di sviluppare nuovi materiali, ha affermato Lee, che è anche ricercatore in visita presso Google Quantum AI. L’algoritmo potrebbe essere utilizzato per progettare materiali per accelerare la fissazione dell’azoto per l’agricoltura e l’idrolisi per produrre energia pulita, tra gli altri obiettivi di sostenibilità, ha affermato.

L’algoritmo utilizza un Monte Carlo quantistico, un sistema di metodi per calcolare le probabilità quando c’è un gran numero di variabili casuali e sconosciute in gioco, come in un gioco di roulette. Qui, i ricercatori hanno utilizzato il loro algoritmo per determinare l’energia dello stato fondamentale di tre molecole: eliocide (H4), utilizzando otto qubit per il calcolo; azoto molecolare (N), utilizzando 12 qubit; e diamante solido, utilizzando 16 qubit.

L’energia dello stato fondamentale è influenzata da variabili come il numero di elettroni in una molecola, la direzione in cui ruotano e i percorsi che prendono mentre orbitano attorno al nucleo. Questa energia elettronica è codificata nell’equazione di Schrodinger. Risolvere l’equazione su un computer classico diventa esponenzialmente più difficile man mano che le molecole diventano più grandi, sebbene i metodi per stimare la soluzione abbiano reso il processo più semplice. Come i computer quantistici potrebbero aggirare il problema del ridimensionamento esponenziale è stata una questione aperta nel campo.

In linea di principio, i computer quantistici dovrebbero essere in grado di gestire calcoli esponenzialmente più grandi e complessi, come quelli necessari per risolvere l’equazione di Schrodinger, perché i qubit che li compongono sfruttano gli stati quantistici. A differenza delle cifre binarie, o bit, costituiti da uno e zero, i qubit possono esistere in due stati contemporaneamente. I qubit, tuttavia, sono fragili e soggetti a errori: più qubit vengono utilizzati, meno precisa sarà la risposta finale. L’algoritmo di Lee sfrutta la potenza combinata dei computer classici e quantistici per risolvere le equazioni chimiche in modo più efficiente riducendo al minimo gli errori del computer quantistico.

“È il meglio di entrambi i mondi”, ha detto Lee. “Abbiamo sfruttato strumenti che già avevamo e strumenti considerati all’avanguardia nella scienza dell’informazione quantistica per perfezionare la chimica computazionale quantistica”.

Un computer classico può gestire la maggior parte della simulazione Monte Carlo quantistica di Lee. Sycamore interviene per l’ultimo passaggio più complesso dal punto di vista computazionale: il calcolo della sovrapposizione tra una funzione d’onda di prova – un’ipotesi sulla descrizione matematica dell’energia dello stato fondamentale che può essere implementata dal computer quantistico – e una funzione d’onda campionaria, che fa parte del processo statistico di Monte Carlo. Questa sovrapposizione fornisce una serie di vincoli, noti come condizione al contorno, al campionamento Monte Carlo, che garantisce l’efficienza statistica del calcolo (per maggiori dettagli sulla matematica, vedere il webinar di Lee).

Il record precedente per la risoluzione dell’energia dello stato fondamentale utilizzava 12 qubit e un metodo chiamato autosolver quantistico variazionale o VQE. Ma VQE ha ignorato gli effetti degli elettroni interagenti, una variabile importante nel calcolo dell’energia dello stato fondamentale che ora include l’algoritmo quantistico Monte Carlo di Lee. L’aggiunta di tecniche di correlazione virtuale dai computer classici potrebbe aiutare i chimici ad affrontare molecole ancora più grandi, ha affermato Lee.

I calcoli ibridi classici-quantistici in questo nuovo lavoro sono risultati accurati quanto alcuni dei migliori metodi classici. Ciò suggerisce che i problemi potrebbero essere risolti in modo più accurato e/o rapido insieme a un computer quantistico che senza: una pietra miliare chiave per l’informatica quantistica. Lee e i suoi colleghi continueranno a modificare il loro algoritmo per renderlo più efficiente, mentre gli ingegneri lavoreranno per costruire hardware quantistico migliore.

“La fattibilità di risolvere problemi chimici più grandi e più impegnativi aumenterà solo con il tempo”, ha affermato Lee. “Questo ci fa sperare che le tecnologie quantistiche in fase di sviluppo saranno praticamente utili”.


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Maggiori informazioni:
Joonho Lee, Montecarlo quantistico fermionico imparziale con un computer quantistico, natura (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04351-z. www.nature.com/articles/s41586-021-04351-z

Fornito dalla Columbia University

Citazione: Verso un computer quantistico che calcola l’energia molecolare (2022, 16 marzo) recuperato il 17 marzo 2022 da https://phys.org/news/2022-03-quantum-molecular-energy.html

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