L’algorithme réduit les défaillances des ordinateurs quantiques lors du traitement des équations chimiques

L'algorithme Réduit Les Défaillances Des Ordinateurs Quantiques Lors Du Traitement

Une nouvelle étude publiée dans la revue scientifique nature décrit un algorithme qui réduit les erreurs statistiques, ou le bruit, produits par les bits quantiques (qubits) lorsque les ordinateurs quantiques traitent des équations chimiques.

Lalgorithme reduit les defaillances des ordinateurs quantiques lors du traitement

L’algorithme hybride utilise un ordinateur classique et un supercalculateur quantique pour calculer l’énergie de l’état fondamental. Cela aidera les chercheurs à développer de nouveaux matériaux pour différentes applications, y compris les objectifs de durabilité. Image : Nicoletta Barolini

Développé par David Reichman, professeur de chimie à l’Université de Columbia, et Joonho Lee, étudiant postdoctoral, l’algorithme utilise jusqu’à 16 qubits dans Sycamore, l’ordinateur de 53 qubits de Google, pour calculer l’énergie de l’état fondamental – l’état d’énergie le plus bas d’une molécule. « Ce sont les plus grands calculs de chimie quantique jamais effectués sur un véritable appareil quantique », a déclaré Reichman.

Selon Lee, qui est également chercheur invité à Google Quantum AI, la capacité de calculer avec précision l’énergie de l’état fondamental permettra aux chimistes de développer de nouveaux matériaux. L’algorithme peut être utilisé pour concevoir des matériaux pour accélérer la fixation de l’azote pour l’agriculture et l’hydrolyse pour produire de l’énergie propre, entre autres objectifs de durabilité.

Calcul de l’énergie de l’état fondamental

Un système appelé Monte Carlo quantique a été utilisé, qui utilise des méthodes pour calculer les probabilités lorsqu’il y a un grand nombre de variables aléatoires et inconnues en jeu, comme dans un jeu de roulette. Dans cette recherche, les scientifiques ont utilisé leur algorithme pour déterminer l’énergie de l’état fondamental de trois molécules : l’héliocide (H4), en utilisant huit qubits pour le calcul ; azote moléculaire (N2), utilisant 12 qubits ; et diamant solide, en utilisant 16 qubits.

Selon les chercheurs, l’énergie de l’état fondamental est influencée par des variables telles que le nombre d’électrons dans une molécule, la direction dans laquelle ils tournent et les chemins qu’ils empruntent lorsqu’ils orbitent autour d’un noyau. Cette énergie électronique est codée dans l’équation de Schrödinger.

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Un nouvel algorithme exploite la puissance combinée des ordinateurs classiques et quantiques pour résoudre plus efficacement les équations chimiques, minimisant les erreurs de calcul quantique dans les calculs d’énergie moléculaire. Image : Yurchanka Siarhei –

Résoudre l’équation sur un ordinateur classique devient exponentiellement plus difficile à mesure que les molécules grossissent, bien que les méthodes d’estimation de la solution aient facilité le processus. Comment les ordinateurs quantiques peuvent contourner le problème de mise à l’échelle exponentielle a été une question ouverte dans le domaine.

En principe, les ordinateurs quantiques devraient être capables de gérer des calculs exponentiellement plus grands et plus complexes, tels que ceux nécessaires pour résoudre l’équation de Schrödinger, car les qubits qui les composent tirent parti des états quantiques.

Contrairement aux chiffres binaires, ou bits, composés de uns et de zéros, les qubits peuvent exister simultanément dans deux états. Les qubits, cependant, sont fragiles et sujets aux erreurs : plus il y a de qubits utilisés, moins la réponse finale est précise.

L’algorithme hybride exploite les technologies informatiques quantiques et classiques combinées

L’algorithme de Lee exploite la puissance combinée des ordinateurs classiques et quantiques pour résoudre plus efficacement les équations chimiques tout en minimisant les erreurs des ordinateurs quantiques. « C’est le meilleur des deux mondes », a déclaré Lee. « Nous avons tiré parti des outils que nous avions déjà, ainsi que des outils considérés comme de nouvelle génération dans la science de l’information quantique pour affiner la chimie computationnelle quantique. »

Un ordinateur classique peut gérer la plupart des simulations quantiques de Monte Carlo proposées par Lee. Sycamore passe à la dernière étape, la plus complexe en termes de calcul : calculer le chevauchement entre une fonction d’onde de test – une estimation de la description mathématique de l’énergie de l’état fondamental qui peut être mise en œuvre par l’ordinateur quantique – et une fonction d’onde d’échantillon, qui fait partie de la statistique de Monte Carlo. traiter.

Ce chevauchement fournit un ensemble de contraintes appelée condition aux limites pour l’échantillonnage de Monte Carlo, qui garantit l’efficacité statistique du calcul.

Les enregistrements précédents pour résoudre l’énergie de l’état fondamental utilisaient 12 qubits et une méthode appelée auto-résolveur quantique variationnel (VQE). Cependant, le VQE a ignoré les effets de l’interaction des électrons, une variable importante dans le calcul de l’énergie de l’état fondamental que l’algorithme quantique de Monte Carlo de Lee inclut désormais. « L’ajout de techniques classiques de corrélation virtuelle par ordinateur peut aider les chimistes à traiter des molécules encore plus grosses », a déclaré Lee.

Les calculs hybrides classique-quantique de ce nouveau travail se sont avérés aussi précis que certaines des meilleures méthodes classiques. Cela suggère que les problèmes peuvent être résolus plus précisément et/ou plus rapidement avec un ordinateur quantique que sans – une étape majeure pour l’informatique quantique.

Lee et ses collègues continueront de peaufiner leur algorithme pour le rendre plus efficace alors que les ingénieurs travaillent à construire un meilleur matériel quantique. « La faisabilité de résoudre des problèmes chimiques plus importants et plus difficiles ne fera qu’augmenter avec le temps », a déclaré Lee. « Cela nous donne l’espoir que les technologies quantiques en cours de développement seront pratiquement utiles. »

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