Unter Nutzung der vollen Leistungsfähigkeit des Quantencomputers Quantinuum H1-1 haben Forscher des Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums nicht nur Best Practices für wissenschaftliches Rechnen auf aktuellen Quantensystemen demonstriert, sondern auch ein faszinierendes wissenschaftliches Ergebnis erzielt.
Durch die Modellierung der Singulett-Spaltung – bei der die Absorption eines einzelnen Lichtphotons durch ein Molekül zwei angeregte Zustände erzeugt – bestätigte das Team, dass die Energieniveaus des linearen H4-Moleküls den Anforderungen des Spaltungsprozesses entsprechen. Das lineare H4-Molekül ist einfach ein Molekül, das aus vier linear angeordneten Wasserstoffatomen besteht.
Die Energieniveaus eines Moleküls sind die Energien jedes Quantenzustands, der an einem Phänomen wie der Singulett-Spaltung beteiligt ist, und wie sie miteinander in Beziehung stehen und verglichen werden. Die Tatsache, dass die Energieniveaus des linearen Moleküls die Singulettspaltung begünstigen, könnte sich als nützliche Erkenntnis bei den Gesamtbemühungen zur Entwicklung effizienterer Solarmodule erweisen.
„Dies ist einer der wichtigsten Motivationsfaktoren für die Singulett-Spaltung – herkömmliche Solarzellen haben einen theoretischen maximalen Wirkungsgrad von etwa 33 %, aber es wurde postuliert, dass Materialien, die Singulett-Spaltung zeigen, diese Grenze überschreiten und effizienter sein können“, sagte Daniel Claudino, ein Forschungswissenschaftler in der Quantum Computational Science-Gruppe des ORNL und Hauptforscher des Projekts. „Der Nachteil besteht darin, dass es sehr schwierig ist, grundsätzlich zu verstehen, ob ein bestimmtes Material Singulettspaltung aufweist. Es gibt einen spezifischen Energiebedarf und es ist schwierig, Materialien zu finden, die diesen erfüllen.“
Mit seiner hohen Genauigkeit bei überschaubaren Rechenkosten bietet der Ansatz des ORNL-Teams zur Verwendung eines Quantencomputers eine effektive Simulationsmethode zur Identifizierung von Molekülen, die Singulett-Spaltungseigenschaften aufweisen, und gleichzeitig Näherungen zu umgehen, die üblicherweise in Techniken für klassische Computer verwendet werden. Die Ergebnisse seiner Arbeit wurden in veröffentlicht Das Journal of Physical Chemistry Letters.
Da es sich bei der Singulett-Spaltung um ein Phänomen mit mehreren Zuständen handelt, benötigte das ORNL-Team eine Rechenmethode, die alle Quantenzustände des Prozesses gleichwertig beschreiben konnte, um genaue energetische Zahlen zu berechnen. Sie wandten sich an PDS, einen Quantenlöser, der auf dem Peeters-Devreese-Soldatov-Ansatz basiert und am Pacific Northwest National Laboratory entwickelt wurde.
PDS bietet einige Vorteile gegenüber klassischen Strategien zur Bestimmung der energetischen Eigenschaften eines Materials, darunter eine viel höhere Genauigkeit als die Dichtefunktionaltheorie und einen geringeren Rechenaufwand als die gekoppelte Clustertheorie. Und da PDS entwickelt wurde, um die Genauigkeit und Effizienz von Simulationen in der Quantenchemie zu verbessern, ist es gut geeignet, die potenziellen Vorteile von Quantencomputern zu nutzen.
„Die Energetik der Singulett-Spaltung beruht auf doppelten elektronischen Anregungen – zwei Elektronen bewegen sich gleichzeitig auf zwei höhere Energieniveaus, was mit Algorithmen für herkömmliche Computer ziemlich schwer zu bestimmen ist“, sagte Claudino.
„Aber die grundlegende Funktionsweise eines Quantencomputers besteht darin, dass er auf natürliche Weise die Quantenkorrelationen verarbeiten kann, die zu diesem Singulett-Spaltungsphänomen führen. Da kamen wir zu der Erkenntnis: ‚Ja, wir sollten einen Quantencomputer verwenden, um etwas zu behandeln.‘ ist von Natur aus Quanten. Das ist bekannt. Aber ich denke, wir waren die Ersten, die erkannt haben, dass es für dieses spezielle Problem geeignet ist.“
Der Zugang zum H1-1, einem unternehmenstauglichen Quantencomputer von Quantinuum (ehemals Honeywell), wurde durch das Quantum Computing User Program an der Oak Ridge Leadership Computing Facility, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, bereitgestellt.
Quantencomputing – eine Technologie, die sich im Vergleich zu klassischen Supercomputern wie dem Frontier der Exascale-Klasse der OLCF noch in den Kinderschuhen steckt – nutzt Quantenbits oder Qubits, um Berechnungen durchzuführen. Im Gegensatz zu binären Bits, die in klassischen Computern verwendet werden, gehen Qubits über Einsen und Nullen hinaus und verwenden auch 1 und 0 gleichzeitig in einer gemischten Überlagerung, wodurch ihre Rechenleistung für bestimmte Gleichungen, beispielsweise solche, die auf der Quantenmechanik basieren, exponentiell steigt. Allerdings sind Quantencomputersysteme immer noch anfällig für hohe Fehlerraten, und das Team musste diese Herausforderung kompensieren, um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen.
„Es ist besser, viel mehr Messungen durchzuführen, um auf der sicheren Seite zu sein, wenn es darum geht, Fehler zu umgehen, aber dann wären wir nicht in der Lage, diesen Algorithmus zeitnah auszuführen“, sagte Claudino.
„Da haben wir uns die Messoptimierung ausgedacht, um den Umfang unserer Berechnungen auf ein Maß zu reduzieren, das im Hinblick auf die Rechenzeit vertretbar war. Wir sind von etwas, das unerschwinglich groß war, zu etwas übergegangen, das für die Quantenhardware zugänglich war.“
Die Mitglieder des ORNL-Teams wandten drei unabhängige Strategien an, um den Rechenaufwand für das Problem zu verringern, wodurch sich die Zeit bis zur Lösung von Monaten auf einige Wochen verkürzte. Erstens verringerten sie mit einer Technik namens Qubit-Tapering die Anzahl der Qubits, die zum Ausdrücken des Problems erforderlich sind, und verringerten so die Größe des Problems selbst. Zweitens erforderten sie weniger Messungen, um das Problem zu lösen, indem sie Gruppen von Begriffen einmal maßen, anstatt jeden einzelnen Begriff aus jeder Gruppe zu messen. Drittens haben sie, anstatt jeden Schaltkreis einzeln zu implementieren, einen Weg gefunden, vier Schaltkreise parallel zu betreiben, sodass sie alle 20 Qubits im H1-1 nutzen können.
„Uns wurde klar, dass es nicht funktionieren würde, wenn wir das Ganze einfach in einen Quantencomputer stecken wollten, weil es immer noch zu viel für die aktuelle Technologie ist. Die Idee ist, dass man sich einen Weg vorstellen möchte, den Quantencomputer zu erschließen, aber.“ nur für bestimmte Aufgaben, von denen wir wissen, dass sie eine bessere Leistung als herkömmliche Computer erbringen können“, sagte Claudeno.
„Aber selbst dann sind Sie immer noch durch den aktuellen Stand der Technik eingeschränkt, der es uns nur erlaubt, entweder eine bestimmte Größe zu erreichen oder Aufgaben auszuführen, die nur eine begrenzte Zeit dauern. Das ist der größte Engpass bei der Hinwendung zu Quantencomputern.“
Das Projekt des ORNL-Teams demonstrierte die Eignung aktueller Quantencomputer zur Bewältigung wissenschaftlicher Probleme, die sich auf das tägliche Leben auswirken könnten. Obwohl Claudino nicht damit rechnet, sich bald erneut mit der Singulett-Spaltung zu befassen, erwägt sein Team andere Probleme – etwa die „Richtung von Materie und Licht“ –, die mit den in diesem Projekt demonstrierten Quantencomputertechniken gelöst werden könnten.
Obwohl die von uns verwendeten Ansätze bereits veröffentlicht wurden, würde ich sagen, dass sie noch lange nicht weit verbreitet sind. „Ich denke, wir sind starke Argumente für die Verwendung solcher Ansätze“, sagte Claudino. „Forscher sollten sich darüber im Klaren sein, dass sie möglicherweise Quantenressourcen verschwenden und möglicherweise die Fehler in ihren Simulationen erhöhen, wenn sie diese Techniken nicht nutzen.“
Mehr Informationen:
Daniel Claudino et al., Modellierung der Singulettspaltung auf einem Quantencomputer, Das Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c01106