Wissenschaftler von IBM haben neue Algorithmen entwickelt, um das Wissen über komplexe Chemie und Quantencomputer zu verbessern.
Die Ergebnisse könnten zu praktischen Anwendungen in Medizin, Materialtechnik und Energie führen, sagten sie.
Das Team simulierte ein Molekül mit einem Sieben-Qubit-Quantenprozessor, um das Molekularstrukturproblem von Berylliumhydrid (BeH2) anzugehen – dem größten Molekül, das bisher auf einem Quantencomputer simuliert wurde.
Das Team setzte einen Algorithmus ein, der in Bezug auf die Anzahl der für die Simulation erforderlichen Quantenoperationen effizient ist. Mit sechs Qubits eines Sieben-Qubit-Prozessors konnten sie den niedrigsten Energiezustand von BeH2 messen, ein Schlüsselmaß für das Verständnis chemischer Reaktionen.
Während dieses Modell von BeH2 auf einem klassischen Computer simuliert werden kann, hat der Ansatz von IBM das Potenzial, sich auf die Untersuchung größerer Moleküle zu skalieren, die traditionell als außerhalb des Rahmens klassischer Computermethoden angesehen würden, wenn leistungsfähigere Quantensysteme gebaut werden. Die Ergebnisse wurden heute als Titelblatt der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht .
Das Papier demonstriert „die experimentelle Optimierung von Hamilton-Problemen mit bis zu sechs Qubits und mehr als einhundert Pauli-Termen, die die Grundzustandsenergie für Moleküle mit zunehmender Größe bis hin zu BeH2 bestimmen“.
„Unser Schema steht im Gegensatz zu zuvor untersuchten Quantensimulationsalgorithmen, die sich darauf konzentrieren, klassische Molekularsimulationsschemata an Quantenhardware anzupassen – und dabei die begrenzten Overheads aktueller realistischer Quantengeräte nicht effektiv berücksichtigen“, sagten die IBM-Forscher in einem Blogbeitrag .
Um die Rechenleistung zu charakterisieren, hat IBM eine neue Metrik eingeführt, Quantum Volume. Es berücksichtigt die Anzahl und Qualität von Qubits, die Verbindungskonnektivität und die Fehlerraten von Operationen.
Dario Gil, Vizepräsident für KI-Forschung und IBM Q, sagte, dass die neuesten Forschungsergebnisse beweisen, dass „wir das Potenzial haben, Quantencomputer zu verwenden, um unser Wissen über natürliche Phänomene in der Welt zu erweitern“.
„Wir gehen davon aus, dass die Fähigkeiten von IBM Q-Systemen in den nächsten Jahren die Fähigkeiten herkömmlicher Computer von heute übertreffen und zu einem Werkzeug für Experten in Bereichen wie Chemie, Biologie, Gesundheitswesen und Materialwissenschaften werden.“
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Alán Aspuru-Guzik, professor of chemistry and chemical biology at Harvard University, said that when quantum computers are able to carry out chemical simulations in a numerically exact way, most likely when we have error correction in place and a large number of logical qubits, the field will be disrupted.
“Exact predictions will result in molecular design that does not need calibration with experiment. This may lead to the discovery of new small-molecule drugs or organic materials,” he added.
For future quantum applications, IBM anticipates certain parts of a problem to be run on a classical machine while the most computationally difficult tasks might be offloaded to the quantum computer.
Picture credit:IBM