دانشمندان الگوریتم کوانتومی را برای توسعه مواد و شیمی جدید ارائه می دهند

الگوریتم CVQE نوعی از الگوریتم Variational Quantum Eigensolver (VQE) است که تنها به اجرای مجموعه‌ای از مدارهای کوانتومی یک بار و نه در هر تکرار در طول فرآیند بهینه‌سازی پارامتر نیاز دارد و در نتیجه توان محاسباتی را افزایش می‌دهد.

دکتر جان استنگر، فیزیکدان تحقیقاتی بخش شیمی نظری، گفت: هر دو الگوریتم یک حالت کوانتومی نزدیک به حالت پایه یک سیستم تولید می کنند که برای تعیین بسیاری از خواص فیزیکی سیستم استفاده می شود. محاسباتی که قبلاً چند ماه طول می‌کشید، اکنون می‌توانند در چند ساعت انجام شوند.

الگوریتم CVQE از یک کامپیوتر کوانتومی برای بررسی توابع جرم احتمال مورد نیاز و یک کامپیوتر کلاسیک برای انجام محاسبات باقیمانده از جمله کمینه سازی انرژی استفاده می کند.

استیو هلبرگ، Ph.D.، فیزیکدان تحقیقاتی بخش نظریه مواد عملکردی پیشرفته، می گوید: «پیدا کردن حداقل انرژی از نظر محاسباتی سخت است زیرا اندازه فضای حالت به طور تصاعدی با اندازه سیستم افزایش می یابد. به جز سیستم‌های بسیار کوچک، حتی قدرتمندترین ابررایانه‌های جهان نیز قادر به یافتن وضعیت پایه دقیق نیستند.»

برای مقابله با این چالش، دانشمندان از یک کامپیوتر کوانتومی با یک ثبات کیوبیت استفاده می کنند که فضای حالت آن نیز به طور تصاعدی افزایش می یابد، در این مورد با کیوبیت ها. با نشان دادن حالات یک سیستم فیزیکی در فضای حالت رجیستر، می توان از یک کامپیوتر کوانتومی برای شبیه سازی حالات در فضای نمایش نمایی بزرگ سیستم استفاده کرد.

داده ها را می توان متعاقباً با اندازه گیری های کوانتومی استخراج کرد. از آنجایی که اندازه‌گیری‌های کوانتومی قطعی نیستند، اجرای مدار کوانتومی باید چندین بار تکرار شود تا توزیع‌های احتمالی که حالت‌ها را توصیف می‌کند، برآورد شود، فرآیندی که به عنوان نمونه‌گیری شناخته می‌شود. الگوریتم‌های کوانتومی متغیر، از جمله الگوریتم CVQE، حالت‌های آزمایشی را با مجموعه‌ای از پارامترها شناسایی می‌کنند که برای به حداقل رساندن انرژی بهینه شده‌اند.

تفاوت کلیدی بین روش اصلی VQE و روش جدید CVQE این است که فرآیندهای نمونه‌برداری و بهینه‌سازی در روش دوم جدا شده‌اند به طوری که نمونه‌برداری را می‌توان منحصراً بر روی کامپیوتر کوانتومی انجام داد و پارامترها را منحصراً روی یک کامپیوتر کلاسیک پردازش کرد. Dan Gunlycke، D.Phil.، رئیس بخش شیمی نظری، که همچنین تلاش محاسبات کوانتومی NRL را رهبری می کند، گفت. “رویکرد جدید مزایای دیگری نیز دارد. شکل فضای حل نیازی به مطابقت با الزامات تقارن ثبات کیوبیت ندارد، و بنابراین، شکل دادن به فضای راه حل و پیاده سازی تقارن های سیستم و سایر موارد به صورت فیزیکی بسیار آسان تر است. محدودیت‌های انگیزشی، که در نهایت منجر به پیش‌بینی دقیق‌تر ویژگی‌های سیستم الکترونیکی می‌شود.”

محاسبات کوانتومی جزء علوم کوانتومی است که توسط هایدی شیو، معاون تحقیقات و مهندسی وزیر دفاع، به عنوان یک حوزه فناوری بحرانی در چشم انداز فناوری USD(R&E) برای عصر رقابت تعیین شده است.

Gunlycke گفت: “درک ویژگی های سیستم های مکانیکی کوانتومی در توسعه مواد جدید و شیمی برای نیروی دریایی و تفنگداران دریایی ضروری است.” به عنوان مثال، خوردگی یک چالش فراگیر است که سالانه میلیاردها هزینه برای وزارت دفاع دارد. الگوریتم CVQE می تواند برای مطالعه واکنش های شیمیایی که باعث خوردگی می شوند و ارائه اطلاعات حیاتی به تیم های ضد خوردگی موجود ما در تلاش برای توسعه پوشش ها و افزودنی های بهتر مورد استفاده قرار گیرد. “