Programabilni kvantni računari imaju potencijal da efikasno simuliraju sve složenije molekularne strukture, elektronske strukture, hemijske reakcije i kvantno-mehanička stanja u hemiji koje klasični računari ne mogu. Kako se veličina i složenost molekula povećavaju, rastu i računski resursi potrebni za njegovo modeliranje.
Na primer, moglo bi da prođe hiljade do milion godina, čak i sa najnaprednijim svetskim klasičnim superkompjuterima, da se simuliraju esencijalni molekuli za otkrivanje lekova.
Zaista, hemija se pojavila kao jedna od najubedljivijih primena kratkoročnih kvantnih uređaja. S obzirom na njihovu sposobnost da obrađuju informacije u kubitima, kvantni procesori su prirodno pogodni za simulaciju dinamike složenih i visoko koreliranih kvantnih sistema.
Nuklearna magnetna rezonanca (NMR) je ključna tehnika karakterizacije strukture u biologiji, hemiji i nauci o materijalima koja prikuplja strukturne informacije o atomima i njihovom rasporedu u prostoru. Međutim, tumačenje rezultata može biti izazovno. Ovo posebno važi za NMR eksperimente nultog polja koji uklanjaju veliki magnet koji se koristi u konvencionalnim NMR eksperimentima.
Kvantna simulacija NMR-a, međutim, omogućava mogućnost oponašanja bučne dinamike jednog sistema sa dinamikom drugog.
Interdisciplinarna saradnja istraživača Kuantum Sistems Accelerator (KSA) sa Tehnološkog instituta Masačusetsa, Univerziteta Harvard, Univerziteta Merilend i Univerziteta Djuk demonstrirala je eksperiment digitalne kvantne simulacije NMR nultog polja na programabilnom procesoru zarobljenih jona.
Tim je koristio četiri kubita da bi po prvi put izračunao NMR spektar nultog polja metil grupe acetonitrila, jednostavnog organskog jedinjenja koje se koristi u mnogim proizvodima, uključujući farmaceutske proizvode, pesticide, plastiku i baterije. Štaviše, istraživači su primenili tehnike komprimovanog sensinga da bi dobili tačne rezultate za manje vremena i sa manje računarskih resursa.
Ovaj novi eksperimentalni rad, objavljen 2023. u Science Advances, utire put za pronalaženje uzbudljivih praktičnih upotreba kratkoročnih kvantnih uređaja.
„Prilagođavanje algoritamskog i hardverskog pristupa strukturi NMR sistema može omogućiti simulacije sa efikasnim korišćenjem resursa na kratkoročnim uređajima, čime se otvaraju specifični kanali biohemijske analize. Širina i dubina KSA zajednice pružaju plodno tlo za potrebne multidisciplinarne napore u saradnji. da bismo ostvarili potencijal ove aplikacije“, rekao je Kushal Seetharam, postdoktorski saradnik na Univerzitetu Harvard i glavni autor rada.
KSA, paralelno, dalje razvija kvantne uređaje zasnovane na nizovima neutralnih atoma sa pionirskim metodama za kontrolu i brzo očitavanje za složene molekularne simulacije. Tim sa više institucija predvođen KSA istraživačima na Univerzitetu Harvard objavio je teorijski okvir za simulaciju snažno koreliranih kvantnih sistema u hemiji koristeći Ridbergove atomske nizove.
Autori su objavili svoju studiju prošlog decembra, nudeći fleksibilni kvantni alat za simulaciju vremenske evolucije spin Hamiltonijana (matematički modeli kvantnih sistema). Koristeći mešavinu računarskih pristupa i inženjerskih metoda, uključujući hardverski specifične multi-kubit kapije za Ridbergove atomske nizove, istraživači su pokazali kako da optimizuju hardverske operacije da bi precizno simulirali složene interakcije između spinova.
Koristeći hibridne kvantno-klasične računarske tehnike, oni su takođe uveli algoritam iz kratkoročnih kvantnih eksperimenata, omogućavajući predviđanja ključnih veličina, kao što su kako promene energije i temperature mogu uticati na hemijska svojstva i ponašanje molekula i atoma.
„Neutralni atomski nizovi su prošli brzi eksperimentalni napredak poslednjih godina, i ovde pokazujemo kako se ove nove arhitekture mogu primeniti da ubrzaju klasično izazovne simulacije kvantnih sistema. Saradnja koju omogućava KSA ključna je za sprovođenje ovog interdisciplinarnog istraživanja“, objasnio je Nišad Maskara, dr. istraživač na Harvardu i glavni autor radova.
Istraživači su dalje sugerisali da bi ovaj okvir mogao da proučava egzotične materijale, kao što su jedinjenja prelaznih metala sa složenim magnetnim svojstvima. Ova jedinjenja se pojavljuju u različitim kontekstima, uključujući katalizu u biološkim sistemima. Dalje, simulacije 2D ili 3D materijala prelaznog metala mogu pružiti tragove za neke od izazova proizvodnje i materijala kvantnih procesora koji trenutno koriste konvencionalne materijale.
„Sposobnost izvođenja detaljnih i tačnih kvantnih simulacija biće od neprocenjive vrednosti za hemičare i naučnike o materijalima dok pokušavaju da razumeju eksperimentalne rezultate i dizajniraju nova jedinjenja sa zanimljivim svojstvima“, rekao je Maskara.
Računarska simulacija u klasičnim računarima je ograničena eksponencijalno velikim brojem mogućih konfiguracija stanja potrebnih za tumačenje nuklearnog spin sistema za velike molekule, proteine i protokole. Stoga su složene simulacije u hemijskoj nauci idealne za rešavanje sa kvantnim računarom.
Kroz saradnju, KSA nastavlja da pokreće inovacije u kvantnim prototipovima i algoritmima za fundamentalnu nauku, posebno kompleksnu hemiju, u svim partnerskim institucijama. Istraživači sa Harvarda trenutno istražuju kako da unaprede kvantnu simulaciju NMR eksperimenta sa alatima protokola koristeći rekonfigurabilne kvantne procesore.
„Vođen pristupom koji je prvi u nauci od 2020. godine, KSA je razvio skalabilne kvantne sisteme i prototipove koji će utrti put revolucionarnim otkrićima na različitim hardverskim platformama, algoritmima i naučnim aplikacijama“, rekao je Daniel Stick iz Sandia National Laboratories, zamenik direktora KSA.
