|
Моделирование квантовой химии на квантовом компьютере
|
|
|
|
В новом отчете, опубликованном на обложке журнала Science Advances, Ханс Хон Санг Чан и исследовательская группа в области материалов, химии и квантовой фотоники из Оксфордского университета создали точно эмулированные квантовые компьютеры с 36 кубитами для изучения ресурсов, экономичные алгоритмы и моделируют двух- и трехмерные атомы с одиночными и парными частицами. Химическое моделирование является естественным атрибутом квантовых компьютеров, хотя существующие методы непрактичны для разработки почти идеальных кубитов. В этой работе квантовые химики исследовали ряд задач от подготовки основного состояния и оценки энергии до динамики рассеяния и ионизации электронов, чтобы оценить различные методы расщепленного оперативного моделирования, чтобы эмулировать квантовую химию нескольких молекул интерес. Метод на основе сетки показал исключительные результаты, уступив место менее подверженной ошибкам эре квантовых вычислений.
|
|
|
|
Квантовые химики считают, что квантовые компьютеры станут преобразующими инструментами для предсказания и исследования химии. В то время как обычные компьютеры полезны для изучения квантовой молекулярной динамики для прогнозирования результатов реакций и наблюдаемых экспериментальных данных, затраты на оборудование и продолжительность могут экспоненциально увеличиваться с количеством моделируемых частиц. В этой работе Чан и его коллеги изучили основные характеристики ускорения моделирования химической динамики на ранних версиях квантовых компьютеров, основанных на сетке реального пространства. Эти ранние версии квантовых компьютеров имели ограниченное количество кубитов с исправлением ошибок. Команда закодировала такие функции, как симметрия частиц, чтобы предложить оптимальное масштабирование ресурсов для сложных и интересных молекул во время исследования.
|
|
|
Большинство квантовых компьютеров перегружены шумом и стоят дорого. Поэтому исследователи выбрали другой подход, задействовав классические вычислительные ресурсы для эмуляции небольших, но бесшумных квантовых компьютеров, чтобы тем самым смоделировать внутри них квантовую молекулярную динамику — для непосредственного изучения затрат и показателей производительности. Хотя они не переделывали ранее существовавшие методы классической сетки для выполнения моделирования на основе сетки, вместо этого они провели эмуляцию реальных бесшумных квантовых машин для химически значимой квантовой динамики.
|
|
|
|
Затраты на мимикрию ограничили квантовые компьютерные эмуляции версиями скромного размера, содержащими 36 совершенных кубитов. Команда использовала экспериментальную установку для изучения нескольких информативных сценариев для 2D- и 3D-моделирования одно- и двухэлектронных систем. Они выбрали две ключевые области химии и оценили необходимые квантовые ресурсы для моделирования динамики сильных внешних полей с последующим моделированием динамики рассеяния частиц.
|
|
|
|
Во время первого эксперимента команда внезапно применила внешнее поле, что привело к дипольным колебаниям и ионизации одного связанного электрона. Они предполагают усилия в этом направлении, чтобы охватить такие темы, как фотохимия и лазерное возбуждение. Физики и квантовые химики считают когерентную квантовую регуляцию малых молекул одним из «Святых Граалей» химической науки. Например, этот процесс может позволить ученым изучать аммиак в контексте удаления атомов водорода, чтобы изучить его потенциал в современном сельском хозяйстве. Во втором сценарии команда исследовала рассеяние электронов на молекулах, имеющее отношение к спектроскопии, астрохимии и производственным процессам, поскольку процессы столкновения и рассеяния очень динамичны и сложны для классического моделирования.
|
|
|
|
Ученые использовали подход к моделированию Гамильтона с помощью квантового преобразования Фурье с разделенным оператором (SO-QFT) для выполнения операций с волновыми пакетами и представили ряд результатов, которые применялись к сеточному методу для 2-3D-систем с использованием одиночных и парных частиц. Основываясь на результатах, они оценили квантовые ресурсы, необходимые для моделирования, чтобы представить подходящую архитектуру квантового оборудования.
|
|
|
|
Численные результаты привели к эмуляции квантовых процессоров путем их реализации с помощью инструментов с открытым исходным кодом, таких как QuEST, QuEST-link и pyQuEST. Они исследовали количество кубитов и оценили продолжительность выполнения для достижения моделирования с заданной точностью, а также изучили сценарий метода на основе выборки для оценки энергии системы, который оказался очень чувствительным к несовершенствам. Они оценили сопутствующие затраты на квантовые ресурсы и указали аппаратную компоновку подходящего квантового компьютера.
|
|
|
|
Исследовательская группа изучила измерения итеративной фазовой оценки (IPE) с одной вспомогательной функцией, чтобы спроецировать возбужденные состояния. Схемы IPE интересны и важны для практических квантовых вычислений в краткосрочной перспективе. Результаты использовались для оценки энергии, и команда использовала альтернативные подходы для подготовки основных состояний реального космоса на квантовом компьютере на основе вероятностной эволюции мнимого времени (PITE) и моделировала основное состояние двумерного водорода, подробно описывая недостатки метода. Они выполнили два сценария моделирования квантовой динамики, которые основывались на двух сценариях: 1) ионизация сильным внешним полем и 2) зависимость от электрон-электронного рассеяния.
|
|
|
|
Затем команда представила расширенный оператор расщепления (ASO) для оптимизации точности моделирования путем предоставления дополнительных элементов базовому циклу SO-QFT (квантовое преобразование Фурье с оператором разделения). При работе со строгими кулоновскими взаимодействиями, общими для всех численных исследований, как показано в этой статье, метод ASO был очень уместным. Используя установку, они смоделировали динамику атома гелия в 3D. Они использовали уравнение Шредингера для аппроксимации истинных собственных состояний электрона атома гелия и коэффициент Бхаттачарьи для представления электрон-электронных взаимодействий и временной эволюции моделирования атома гелия.
|
|
|
|
Квантовые химики изучили требования к ресурсам для проведения квантового моделирования за пределами досягаемости классических алгоритмов и согласовали квантовые архитектуры, подходящие для таких выражений. Они оценили количество кубитов, необходимых для моделирования интересующих квантовых сценариев для молекул гексафторэтана (C2F6) и аммиака (NH3). Для моделирования C2F6 на основе сетки требовалось около 2250 вычислительных кубитов, в то время как для молекул аммиака требовалось менее 450 кубитов.
|
|
|
|
Затраты времени на моделирование также зависели от аппаратной реализации. В результате наиболее хорошо понятные коды требовали многих сотен физических кубитов на логический кубит по отношению к глубоким алгоритмам и коэффициентам ошибок, сравнимым с лучшими современными прототипами квантовых компьютеров. Исследователи также разработали многоядерную сетевую архитектуру для поддержки теоретических крупномасштабных кубитов.
|
|
|
|
Таким образом, Ханс Хон Санг Чан и его коллеги исследовали подход квантового преобразования Фурье с расщепленным оператором (SO-QFT) для имитации точных кубитов и тестирования технологий, лежащих в основе моделирования квантовой химии в реальном пространстве. Они исследовали несколько известных квантовых методов и представили несколько других, чтобы передать ключевые аспекты квантового моделирования. Ученые охарактеризовали ресурсы, лежащие в основе реализации цифровых экспериментов на ранних отказоустойчивых квантовых компьютерах. Результатом может быть цикл обучения/прогнозирования путем дополнения физических экспериментов машинным обучением для ускорения химических открытий. Результаты могут привести к различным областям квантовых технологий, включая специальную теорию относительности для моделирования частиц высокой энергии, а также сыграть роль в финансовой инженерии.
|
|
|
|
Источник
|
