Verdens første kvantecomputersimulering af kemiske bindinger ved hjælp af fangede ioner

En international gruppe af forskere har opnået verdens første multi-qubit demonstration af en kvantekemi-beregning udført på et system af fangede ioner, en af ​​de førende hardwareplatforme i kapløbet om at udvikle en universel kvantecomputer.

Forskningen, ledet af University of Sydney fysiker Dr. Cornelius Hempel, udforsker en lovende vej til udvikling af effektive måder at modellere kemiske bindinger og reaktioner ved hjælp af kvantecomputere. Det er offentliggjort i dag i den prestigefyldte Fysisk gennemgang X fra American Physical Society.

"Selv de største supercomputere kæmper med at modellere alt andet end den mest basale kemi nøjagtigt. Kvantecomputere, der simulerer naturen, imidlertid, låse op for en helt ny måde at forstå stof på. De vil give os et nyt værktøj til at løse problemer inden for materialevidenskab, medicin og industriel kemi ved hjælp af simuleringer."

Med kvanteberegning stadig i sin vorden, det er stadig uklart, præcis hvilke problemer disse enheder vil være mest effektive til at løse, men de fleste eksperter er enige om, at kvantekemi bliver en af ​​de første 'dræberapps' i denne nye teknologi.

Kvantekemi er videnskaben om at forstå de komplicerede bindinger og reaktioner af molekyler ved hjælp af kvantemekanik. De 'bevægelige dele' af alt andet end de mest simple kemiske processer er ud over de største og hurtigste supercomputeres kapacitet.

Ved at modellere og forstå disse processer ved hjælp af kvantecomputere, forskere forventer at låse op for lavere energiveje til kemiske reaktioner, muliggør design af nye katalysatorer. Dette vil få enorme konsekvenser for industrier, såsom produktion af gødning.

Andre mulige anvendelser omfatter udvikling af organiske solceller og bedre batterier gennem forbedrede materialer og brug af ny indsigt til at designe personlig medicin.

Arbejde med kolleger på Instituttet for Kvanteoptik og Kvanteinformation i Innsbruck, Østrig, Dr. Hempel brugte kun fire qubits på en 20-qubit enhed til at køre algoritmer til at simulere energibindingerne af molekylært hydrogen og lithiumhydrid.

Disse relativt simple molekyler er valgt, da de er velforståede og kan simuleres ved hjælp af klassiske computere. Dette gør det muligt for forskere at kontrollere resultaterne fra kvantecomputere under udvikling.

Dr. Hempel sagde:"Dette er et vigtigt trin i udviklingen af ​​denne teknologi, da det giver os mulighed for at sætte benchmarks, se efter fejl og planlæg nødvendige forbedringer."

I stedet for at sigte efter den mest nøjagtige eller største simulering til dato, Dr. Hempels arbejde fokuserede på, hvad der kan gå galt i en lovende kvante-klassisk hybridalgoritme kendt som variationel kvanteegenopløser eller VQE.

Ved at se på forskellige måder at kode kemiproblemet på, forskerne leder efter måder at undertrykke fejl, der opstår i nutidens uperfekte kvantecomputere og står i vejen for disse maskiners brugbarhed på kort sigt.

Fejlundertrykkelse er kernen i forskningen, der forfølges i University of Sydneys Quantum Control Laboratory, ledet af professor Michael Biercuk, som for nylig lancerede Australiens første private kvantestart-up, Q-CTRL. Dr. Hempel, hvem udførte eksperimenterne på universitetet i Innsbruck, håber nu at udnytte Sydneys ekspertise til at forbedre, hvad der kan opnås med denne slags simuleringer.

Papiret, offentliggjort i dag i førende tidsskrift Fysisk gennemgang X , blev skrevet sammen med Innsbruck professor Rainer Blatt, en pioner inden for kvanteberegning, og tidligere Harvard-professor Alán Aspuru-Guzik, som siden er flyttet til University of Toronto.

Professor Blatt, fra IQOQI i Innsbruck, sagde:"Kvantekemi er et eksempel, hvor fordelene ved en kvantecomputer meget snart vil blive tydelige i praktiske anvendelser."

Leder af University of Sydney Nano Institutes kvantevidenskabelige domæne, Dr. Ivan Kassal, sagde:"Dette arbejde er en bemærkelsesværdig implementering af en af ​​de mest lovende tilgange til kvantekemi, beviser sin evne til en ægte kvanteinformationsprocessor."

Han sagde, at Dr. Hempels beslutning om at flytte til University of Sydney i 2016 var en fremragende tilføjelse til det stærke kvantehold på campus. "Teoretisk kemi og materialevidenskab er styrker på dette universitet, og de vil blive forstærket af disse nyeste teknikker inden for kvanteberegning, " han sagde.