Британско-американская группа физиков, включающая в себя экспертов из Google и Университета Калифорнии, впервые провела эксперимент про масштабируемому квантовому моделированию молекулы водорода. В работе авторы использовали двухкубитный квантовый вычислитель и обошлись без ресурсоемкой предварительной компиляции алгоритмов. Исследование опубликовано в журнале Physical Review X, кратко о нем сообщает блог компании Google.
В основе эксперимента лежит вариационный алгоритм поиска собственных решений с помощью квантового компьютера (VQE), который, по словам ученых, представляет собой квантовую нейросеть. Как и любая нейросеть, она содержит массу изменяемых параметров, которые можно подбирать с помощью обучения, но традиционные нейросети при этом моделируют классические системы, а квантовые, соответственно, квантовые системы.
С помощью этого метода ученые рассчитали, как меняется энергия молекулы водорода (H2) в зависимости от расстояния между атомами водорода в ней. Эти вычисления — частный случай решения задачи об электронной структуре молекул. Зная как устроены электроны в основном состоянии молекулы можно предсказать скорость, с которой будут протекать химические реакции. Однако это требует высокой точности вычислений энергии. С ростом количества атомов в молекуле время, требующееся для расчета на классическом компьютере растет экспоненциально. Как описывает блог Google, если на расчет энергии основного состояния метана (CH4) уходит одна секунда, то на этан (C2H6) потребуется минута, а на пропан (C3H8) — целый день расчетов.
Авторы сравнивали результаты вычислений с помощью VQE с экспериментальными данными и другим квантовым алгоритмом. По словам физиков, благодаря обучению удалось избавиться от систематических ошибок, связанных с неидеальностью оборудования и получить результаты близкие к экспериментальным данным. Ученые надеются, что устойчивость к подобным ошибкам поможет обойтись в будущем без квантовой коррекции ошибок, одной из проблем, стоящих перед воплощением квантовых компьютеров в жизнь.
Как отвечают физики, при масштабировании технологии и создании многокубитных систем можно будет проводить аналогичные вычисления и для более сложных молекул. К примеру, всего сотни кубит будет достаточно для того, чтобы смоделировать процесс азотфиксации, который позволяет производить бактериям удобрения буквально из воздуха. Возможно это позволит улучшить существующие способы синтеза азотных удобрений.
Несмотря на то, что квантовые компьютеры сейчас представляют собой системы из небольшого количества кубит (четыре - пять), физики уже используют их для моделирования высокоэнергетичных процессов.
Владимир Королёв
