Postoje velika očekivanja da bi kvantni računari mogli pružiti revolucionarne nove mogućnosti za simulaciju hemijskih procesa. Ovo bi moglo imati veliki uticaj na sve, od razvoja novih farmaceutskih proizvoda do novih materijala. Istraživači sa Univerziteta Čalmers su sada, po prvi put u Švedskoj, koristili kvantni računar da bi izvršili proračune u okviru realnog slučaja u hemiji.
„Kvantni kompjuteri bi u teoriji mogli da se koriste za rukovanje slučajevima gde se elektroni i atomska jezgra kreću na komplikovanije načine. Ako možemo da naučimo da iskoristimo njihov puni potencijal, trebalo bi da budemo u mogućnosti da unapredimo granice onoga što je moguće izračunati i razumeti“, kaže Martin Rahm, vanredni profesor teorijske hemije na Odeljenju za hemiju i hemijsko inženjerstvo, koji je vodio studiju.
U okviru oblasti kvantne hemije, zakoni kvantne mehanike se koriste da bi se razumelo koje su hemijske reakcije moguće, koje strukture i materijali se mogu razviti i koje karakteristike imaju. Takve studije se obično sprovode uz pomoć super kompjutera, izgrađenih sa konvencionalnim logičkim kolima. Međutim, postoji ograničenje za koje proračuni mogu da podnesu konvencionalni računari. Pošto zakoni kvantne mehanike opisuju ponašanje prirode na subatomskom nivou, mnogi istraživači veruju da bi kvantni računar trebalo da bude bolje opremljen za obavljanje molekularnih proračuna od konvencionalnog računara.
„Većina stvari na ovom svetu je sama po sebi hemijska. Na primer, naši nosioci energije, u biologiji, kao iu starim ili novim automobilima, sastoje se od elektrona i atomskih jezgara raspoređenih na različite načine u molekulima i materijalima. Neki od problema su rešiti u oblasti kvantne hemije su izračunati koji od ovih aranžmana su verovatniji ili korisniji, zajedno sa njihovim karakteristikama“, kaže Martin Rahm.
Još uvek postoji put pre nego što kvantni računari postignu ono čemu istraživači teže. Ovo polje istraživanja je još uvek mlado i proračuni malih modela koji se izvode su komplikovani bukom iz okoline kvantnog računara. Međutim, Martin Rahm i njegove kolege su sada pronašli metod koji vide kao važan korak napred. Metoda se zove Reference-State Error Mitigation (REM) i funkcioniše tako što ispravlja greške koje se javljaju usled buke korišćenjem proračuna i sa kvantnog računara i sa konvencionalnog računara.
„Studija je dokaz koncepta da naš metod može poboljšati kvalitet kvantno-hemijskih proračuna. To je koristan alat koji ćemo koristiti da poboljšamo naše proračune na kvantnim računarima koji napreduju“, kaže Martin Rahm. Članak „Ublažavanje greške referentnog stanja: Strategija za kvantno računanje hemije visoke preciznosti“ objavljen je u časopisu Journal of Chemical Theori and Computation.
Princip koji stoji iza metode je da se prvo razmotri referentno stanje opisom i rešavanjem istog problema i na konvencionalnom i na kvantnom računaru. Ovo referentno stanje predstavlja jednostavniji opis molekula od prvobitnog problema koji treba da reši kvantni računar. Konvencionalni računar može brzo da reši ovu jednostavniju verziju problema. Upoređivanjem rezultata sa oba računara, može se napraviti tačna procena količine greške izazvane bukom. Razlika između rešenja dva računara za referentni problem se onda može koristiti za ispravljanje rešenja za originalni, složeniji problem kada se pokreće na kvantnom procesoru.
Kombinovanjem ove nove metode sa podacima iz Chalmersovog kvantnog računara Sarimner, istraživači su uspeli da izračunaju intrinzičnu energiju malih primera molekula kao što su vodonik i litijum hidrid. Ekvivalentni proračuni se mogu brže izvršiti na konvencionalnom računaru, ali nova metoda predstavlja važan razvoj i prva je demonstracija kvantnog hemijskog proračuna na kvantnom računaru u Švedskoj.
„Vidimo dobre mogućnosti za dalji razvoj metode kako bi se omogućili proračuni većih i složenijih molekula, kada sledeća generacija kvantnih računara bude spremna“, kaže Martin Rahm.
Istraživanje je sprovedeno u bliskoj saradnji sa kolegama na Odeljenju za mikrotehnologiju i nanonauku. Napravili su kvantne računare koji se koriste u studiji i pomogli u obavljanju osetljivih merenja koja su potrebna za hemijske proračune.
„Samo korišćenjem stvarnih kvantnih algoritama možemo razumeti kako naš hardver zaista funkcioniše i kako ga možemo poboljšati. Hemijski proračuni su jedno od prvih oblasti u kojima verujemo da će kvantni računari biti korisni, tako da naša saradnja sa grupom Martina Rama je posebno dragoceno“, kaže Jonas Bilander, vanredni profesor kvantne tehnologije na Odeljenju za mikrotehnologiju i nanonauku.
