Wenn Sie die Atome kennen, aus denen ein bestimmtes Molekül oder festes Material besteht, können die Wechselwirkungen zwischen diesen Atomen rechnerisch bestimmt werden, indem quantenmechanische Gleichungen gelöst werden – zumindest, wenn das Molekül klein und einfach ist. Die Lösung dieser Gleichungen, die für Bereiche von der Materialtechnik bis zum Arzneimitteldesign entscheidend sind, erfordert jedoch eine unerschwinglich lange Rechenzeit für komplexe Moleküle und Materialien.
Jetzt haben Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) und der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) und des Department of Chemistry der University of Chicago die Möglichkeit untersucht, diese elektronischen Strukturen mit einem Quantencomputer zu lösen.
Die Forschung, die eine Kombination aus neuen Computeransätzen verwendet, wurde online veröffentlicht im Zeitschrift für chemische Theorie und Berechnung. Es wurde von Q-NEXT, einem DOE National Quantum Information Science Research Center unter der Leitung von Argonne, und vom Midwest Integrated Centre for Computational Materials (MICCoM) unterstützt.
„Dies ist ein aufregender Schritt hin zur Verwendung von Quantencomputern zur Bewältigung anspruchsvoller Probleme in der Computerchemie“, sagte Giulia Galli, die die Forschung zusammen mit Marco Govoni leitete, einem wissenschaftlichen Mitarbeiter bei Argonne und Mitglied des UChicago Consortium for Advanced Science and Engineering (CASE). .
Eine rechnerische Herausforderung
Die Vorhersage der elektronischen Struktur eines Materials umfasst die Lösung komplexer Gleichungen, die bestimmen, wie Elektronen interagieren, sowie die Modellierung, wie verschiedene mögliche Strukturen in ihren Gesamtenergieniveaus miteinander verglichen werden.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Computern, die Informationen in binären Bits speichern, verwenden Quantencomputer Qubits, die in Überlagerung von Zuständen existieren können, wodurch sie bestimmte Probleme einfacher und schneller lösen können. Computerchemiker haben diskutiert, ob und wann Quantencomputer das Problem der elektronischen Struktur komplexer Materialien irgendwann besser lösen können als herkömmliche Computer. Die heutigen Quantencomputer bleiben jedoch relativ klein und produzieren verrauschte Daten.
Trotz dieser Schwächen fragten sich Galli und ihre Kollegen, ob sie noch Fortschritte bei der Entwicklung der zugrunde liegenden Quantencomputermethoden machen könnten, die zur Lösung elektronischer Strukturprobleme auf Quantencomputern erforderlich sind.
„Die Frage, die wir wirklich ansprechen wollten, ist, was mit dem aktuellen Stand von Quantencomputern möglich ist“, sagte Govoni. „Wir haben uns die Frage gestellt: Auch wenn die Ergebnisse von Quantencomputern verrauscht sind, können sie dennoch nützlich sein, um interessante Probleme in den Materialwissenschaften zu lösen?“
Ein iterativer Prozess
Die Forscher entwarfen einen hybriden Simulationsprozess unter Verwendung von IBM-Quantencomputern. Bei ihrem Ansatz übernehmen wenige Qubits – zwischen vier und sechs – einen Teil der Berechnungen, die Ergebnisse werden dann mit einem klassischen Computer weiterverarbeitet.
„Wir haben einen iterativen Rechenprozess entwickelt, der die Stärken sowohl von Quanten- als auch konventionellen Computern nutzt“, sagte Benchen Huang, Doktorand in der Galli Group und Erstautor der neuen Arbeit.
Nach mehreren Iterationen war der Simulationsprozess in der Lage, die korrekten elektronischen Strukturen mehrerer Spindefekte in Festkörpermaterialien bereitzustellen. Darüber hinaus entwickelte das Team einen neuen Ansatz zur Fehlerminderung, um das vom Quantencomputer erzeugte Eigenrauschen zu kontrollieren und die Genauigkeit der Ergebnisse sicherzustellen.
Hinweise auf die Zukunft
Die mit dem neuen Quantencomputing-Ansatz gelösten elektronischen Strukturen könnten vorerst bereits mit einem herkömmlichen Computer gelöst werden. Damit ist die langjährige Debatte, ob ein Quantencomputer einem klassischen bei der Lösung elektronischer Strukturprobleme überlegen sein kann, noch nicht entschieden.
Die Ergebnisse der neuen Methode ebnen Quantencomputern jedoch den Weg, um komplexere chemische Strukturen zu adressieren.
„Wenn wir dies auf 100 Qubits statt 4 oder 6 hochskalieren, glauben wir, dass wir einen Vorteil gegenüber herkömmlichen Computern haben könnten“, sagte Huang. „Aber nur die Zeit wird es mit Sicherheit zeigen.“
Die Forschungsgruppe plant, ihren Ansatz weiter zu verbessern und zu erweitern und ihn zur Lösung verschiedener Arten elektronischer Probleme zu verwenden, wie z. B. Moleküle in Gegenwart von Lösungsmitteln und Moleküle und Materialien in angeregten Zuständen.
Mehr Informationen:
Benchen Huang et al, Quantum Simulations of Fermionic Hamiltonians with Efficient Encoding and Ansatz Schemes, Zeitschrift für chemische Theorie und Berechnung (2023). DOI: 10.1021/acs.jctc.2c01119