Nový kvantový algoritmus řeší kritický problém kvantové chemie prostřednictvím adaptace podél geometrické cesty

1
Nový kvantový algoritmus řeší kritický problém kvantové chemie prostřednictvím adaptace podél geometrické cesty
Kvantová chemie nachází novou cestu na kvantových zařízeních

Při výpočtu potenciální energetické plochy chemické reakce H2 ;+ D2 → 2HD nový algoritmus (zelené kosočtverce) překonává předchozí algoritmus (oranžové čtverce) při hledání nejpřesnějšího řešení (modrá čára). Kredit: Brookhaven National Laboratory

Tým výzkumníků z Brookhaven National Laboratory amerického ministerstva energetiky (DOE) a Stony Brook University navrhl nový kvantový algoritmus pro výpočet nejnižších energií molekul v konkrétních konfiguracích během chemických reakcí, včetně případů, kdy jsou jejich chemické vazby přerušeny. Jak je popsáno v Výzkum fyzického přehleduve srovnání s podobnými existujícími algoritmy, včetně předchozí metody týmu, nový algoritmus výrazně zlepší schopnost vědců přesně a spolehlivě vypočítat povrch potenciální energie v reagujících molekulách.

Pro tuto práci Deyu Lu, fyzik Centra pro funkční nanomateriály (CFN) v Brookhaven Lab, spolupracoval s Tzu-Chieh Wei, docentem specializujícím se na kvantová informační věda na CN Yang Institute for Theoretical Physics na Stony Brook University, Qin Wu, teoretik na CFN, a Hongye Yu, Ph.D. student na Stony Brook.

“Pochopení kvantové mechaniky molekuly, toho, jak se chová na atomové úrovni, může poskytnout klíčový pohled na její chemické vlastnosti, jako je její stabilita a reaktivita,” řekl Lu.

Jednou konkrétní vlastností, kterou bylo obtížné určit, je základní stav molekuly: bod, ve kterém je celková elektronická energie molekuly (včetně kinetické a potenciální energie) nejnižší a nic mimo tento „molekulární systém“ nevzrušuje ani nenabíjí molekulu. elektrony. Když se atomová struktura chemického systému stane složitější, jako ve velké molekule, může interagovat mnohem více elektronů. Tyto interakce činí výpočet základního stavu komplexních molekul extrémně obtížným.

Nový kvantový algoritmus vylepšuje předchozí algoritmus a řeší tento problém kreativním způsobem. Využívá hladkou, geometrickou deformaci vytvořenou plynule měnícími se délkami vazeb nebo vazebnými úhly ve struktuře molekuly. S tímto přístupem vědci říkají, že mohou velmi přesně vypočítat základní stav molekul chemické vazby se v průběhu lámou a reformují chemické reakce.

Budování základů

“Když se spoléháme pouze na tradiční výpočetní metody, tento problém základního stavu obsahuje příliš mnoho proměnných k řešení – dokonce i na nejvýkonnějších superpočítačích,” řekl Lu.

Algoritmus si můžete představit jako soubor kroků k vyřešení konkrétního problému. Klasické počítače mohou provozovat složité algoritmy, ale jak se zvětšují a zapojují, mohou být příliš obtížné nebo časově náročné. klasické počítače proveditelně vyřešit. Kvantové počítače mohou tento proces urychlit využitím pravidel kvantové mechaniky.

V klasickém počítání jsou data ukládána v bitech, které mají hodnotu 1 nebo 0. Kvantový bit, známý jako qubit, může mít hodnotu přesahující jen 0 nebo 1, může mít dokonce hodnotu 0 a 1, v tzv. kvantová superpozice. V zásadě mohou tyto „flexibilnější“ qubity uložit větší množství informací než klasické bity. Pokud vědci najdou způsoby, jak využít kapacitu qubitů přenášet informace, výpočetní výkon se může s každým dalším qubitem exponenciálně rozšiřovat.

Qubity jsou však docela křehké. Často se mohou rozpadnout, když se získávají informace. Když kvantové zařízení interaguje s okolním prostředím, může generovat šum nebo rušení, které ničí kvantový stav. Změny teploty, vibrace, elektromagnetické rušení a dokonce i vady materiálu mohou také způsobit, že qubity ztratí informace.

Pro kompenzaci těchto úskalí vyvinuli vědci hybridní řešení, které využívá oba klasické výpočetní algoritmy, které jsou stabilnější a praktičtější.

Lu a Wei začali zkoumat hybridní klasické a kvantové výpočetní přístupy v roce 2019. Tento roční grant podporuje spolupráci mezi Brookhaven National Laboratory a Stony Brook University financováním společných výzkumných iniciativ, které jsou v souladu s posláním obou institucí. V této počáteční práci se Lu a Wei nejprve zaměřili na řešení problému základního stavu nahrazením „nejdražších“ klasických algoritmů – těch, které byly mnohem složitější a vyžadovaly podstatně více kroků (a více výpočetního času) k dokončení – kvantovými algoritmy. .

Protahování vazeb, vytváření nových cest

Výzkumníci poznamenávají, že existující kvantové algoritmy mají všechny nevýhody pro řešení problému základního stavu, včetně algoritmu Wei a Yu vyvinutého v roce 2019. Zatímco některé populární algoritmy jsou přesné, když je molekula v rovnovážné geometrii – její přirozené uspořádání atomů do tří rozměry – tyto algoritmy se mohou stát nespolehlivými, když jsou chemické vazby přerušeny na velké atomové vzdálenosti. Tvorba a disociace vazby hrají roli v mnoha aplikacích, jako je předpovídání, kolik energie je zapotřebí k zahájení chemické reakce, takže vědci potřebovali způsob, jak tento problém vyřešit, když molekuly reagují. Potřebovali nové kvantové algoritmy, které dokážou popsat rozpad vazby.

Na této nové verzi algoritmu tým spolupracoval s Brookhaven-Lab vedený Co-design Center for Quantum Advantage (C2QA), které bylo vytvořeno v roce 2020. Wei přispívá k softwarovému tahu centra, které se specializuje na kvantové algoritmy. Týmový nový algoritmus používá adiabatický přístup – takový, který provádí postupné změny – ale s určitými úpravami, které zajišťují, že zůstane spolehlivý, když dojde k přerušení chemických vazeb.

“Adiabatický proces funguje tak, že se postupně přizpůsobují podmínky kvantově mechanického systému,” vysvětlil Lu. “Svým způsobem se k řešení dostáváte po velmi malých krocích. Systém vyvíjíte od jednoduchého, řešitelného modelu až po finální cíl, typicky obtížnější model. Kromě základního stavu je však k dispozici mnohoelektronický systém má mnoho excitovaných stavů při vyšších energiích. Tyto excitované stavy mohou představovat problém při použití této metody k výpočtu základního stavu.”

Wei přirovnal adiabatický algoritmus k jízdě po dálnici, “pokud cestujete z jednoho města do druhého, existuje několik cest, jak se tam dostat, ale chcete najít tu nejbezpečnější a nejúčinnější.”

V případě kvantové chemie je klíčové najít dostatečně velkou „energetickou mezeru“ mezi základním stavem a excitovanými stavy, kde žádné elektronové stavy neexistují. S dostatečně velkou mezerou vozidla v metafoře dálnice „nepřejedou jízdní pruhy“, takže jejich cesty lze přesně vysledovat.

“Velká mezera znamená, že můžete jet rychleji, takže v jistém smyslu se snažíte najít méně přeplněnou dálnici, abyste jeli rychleji, aniž byste do něčeho narazili,” řekl Wei.

“S těmito algoritmy je vstup cesty dobře definovaným a jednoduchým řešením z klasického počítače,” poznamenal Wei. “Také víme, kde je východ – základní stav molekuly – a snažili jsme se najít způsob, jak jej spojit se vchodem tím nejpřirozenějším způsobem, přímkou.”

“Udělali jsme to v našem prvním článku, ale přímka měla překážky způsobené uzavřením energetické mezery a křížením cest. Nyní máme lepší řešení.”

Když vědci testovali algoritmus, prokázali, že i při konečných změnách délky vazby vylepšená verze stále fungovala přesně pro základní stav.

“Překročili jsme naši komfortní zónu, protože chemie není naším cílem,” řekl Wei. “Ale bylo dobré najít takovou aplikaci a podpořit tento druh spolupráce s CFN. Je důležité mít na výzkum různé pohledy.”

Všiml si nahromaděného úsilí mnoha lidí. “Myslím, že ve velkém schématu přispíváme malým dílem, ale mohl by to být základ pro další práci v těchto oblastech,” řekl. “Tento výzkum je nejen základní, ale také skvělým příkladem toho, jak se různé instituce a zařízení mohou spojit, aby využily své oblasti odborných znalostí.”


Směrem ke kvantovému počítači, který počítá molekulární energii


Více informací:
Hongye Yu et al, Geometrické kvantové adiabatické metody pro kvantovou chemii, Výzkum fyzického přehledu (2022). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.033045

Hongye Yu et al, Quantum Zeno přístup pro molekulární energie s maximálním dojížděním počátečních Hamiltoniánů, Výzkum fyzického přehledu (2021). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.013104

Citace: Nový kvantový algoritmus řeší kritický problém kvantové chemie prostřednictvím adaptace podél geometrické cesty (2022, 13. září) získaný 17. září 2022 z https://phys.org/news/2022-09-quantum-algorithm-critical-chemistry-problem. html

Tento dokument podléhá autorským právům. Kromě jakéhokoli poctivého jednání za účelem soukromého studia nebo výzkumu nesmí být žádná část reprodukována bez písemného souhlasu. Obsah je poskytován pouze pro informační účely.

podobné příspěvky

Leave a Reply