Spin-oprydningsmetoden bringer praktiske kvantecomputere tættere på virkeligheden

Kvantecomputere er den nye frontlinje inden for avanceret forskningsteknologi, med potentielle applikationer såsom at udføre kritiske beregninger, beskyttelse af finansielle aktiver, eller forudsige molekylær adfærd i lægemidler. Forskere fra Osaka City University har nu løst et stort problem, der hindrer storskala kvantecomputere fra praktisk brug:præcise og nøjagtige forudsigelser af atomær og molekylær adfærd.

De offentliggjorde deres metode til at fjerne uvedkommende information fra kvantekemiske beregninger den 17. september som en avanceret online artikel i Fysisk kemi Kemisk fysik , et tidsskrift fra Royal Society of Chemistry.

"En af de mest forventede anvendelser af kvantecomputere er elektroniske struktursimuleringer af atomer og molekyler, " sagde papirforfatterne Kenji Sugisaki, Foredragsholder og Takeji Takui, Professor emeritus i afdelingen for kemi og molekylær materialevidenskab på Osaka City University's Graduate School of Science.

Kvantekemiske beregninger er allestedsnærværende på tværs af videnskabelige discipliner, herunder udvikling af farmaceutisk terapi og materialeforskning. Alle beregningerne er baseret på løsning af fysiker Erwin Schrödingers ligning, som bruger elektroniske og molekylære interaktioner, der resulterer i en bestemt egenskab, til at beskrive tilstanden af ​​et kvantemekanisk system.

"Schrödinger-ligninger styrer enhver opførsel af elektroner i molekyler, inklusive alle kemiske egenskaber ved molekyler og materialer, herunder kemiske reaktioner, " sagde Sugisaki og Takui.

På klassiske computere, sådanne præcise ligninger ville tage eksponentiel tid. På kvantecomputere, denne præcision er mulig i realistisk tid, men det kræver "rengøring" under beregningerne for at opnå den sande karakter af systemet, ifølge dem.

Et kvantesystem på et bestemt tidspunkt, kendt som en bølgefunktion, har en egenskab beskrevet som spin, som er summen af ​​spin af hver elektron i systemet. På grund af hardwarefejl eller matematiske fejl, der kan være forkerte spins, der informerer om systemets spin-beregning. For at fjerne disse 'spin kontaminanter, ' implementerede forskerne en algoritme, der giver dem mulighed for at vælge det ønskede spin-kvantetal. Dette renser spindet, fjernelse af forurenende stoffer under hver beregning - den første på kvantecomputere, ifølge dem.

"Kvantekemiske beregninger baseret på nøjagtig løsning af Schrödinger-ligninger for enhver adfærd af atomer og molekyler kan give forudsigelser af deres fysisk-kemiske egenskaber og komplette fortolkninger af kemiske reaktioner og processer, " de sagde, bemærker, at dette ikke er muligt med aktuelt tilgængelige klassiske computere og algoritmer. "Dette papir har givet en løsning ved at implementere en kvantealgoritme på kvantecomputere."

Forskerne planlægger derefter at udvikle og implementere algoritmer designet til at bestemme tilstanden af ​​elektroner i molekyler med samme nøjagtighed for både exciterede- eller grundtilstandselektroner.