Studiuesit optimizojnë simulimet molekulare në kompjuterët kuantikë

Një nga pyetjet më të shpeshta në lidhje me kompjuterët kuantikë është e thjeshtë. Kur do të jenë të dobishëm?

Nëse flisni me njerëz në terren, në përgjithësi do të merrni një përgjigje në formën e një pyetjeje tjetër: e dobishme për çfarë? Llogaritja kuantike mund të zbatohet për një gamë të madhe problemesh, disa prej tyre dukshëm më komplekse se të tjerët. Utility do të vijë fillimisht për disa nga problemet më të thjeshta, por nevojitet përparim i mëtejshëm harduer para se të fillojmë të trajtojmë disa nga ato më komplekse.

Njëra që duhet të jetë më e lehtë për t’u zgjidhur përfshin modelimin e sjelljes së disa katalizatorëve të thjeshtë. Elektronet e këtyre katalizatorëve, të cilët janë kritikë për aktivitetin e tyre kimik, u binden rregullave të mekanikës kuantike, gjë që e bën relativisht të lehtë eksplorimin e tyre me një kompjuter kuantik.

Por nuk është e lehtë të kuptosh se si do të funksionojnë në të vërtetë ato simulime ose cilat kufizime diktojnë harduerin që do të na nevojitet përpara se t’i ekzekutojmë ato – përgjithësisht vlerësohet të jetë rreth 100 qubit të korrigjuar me gabime. Të mërkurën, Nature Physics publikoi një punim që përshkruan simulimin e disa aspekteve të katalizatorëve të thjeshtë në kompjuterët kuantikë dhe ofron një mënyrë për të thjeshtuar në mënyrë dramatike llogaritjet. Përmirësimet algoritmike që rezultojnë nënkuptojnë se mund të mos kemi nevojë të presim korrigjimin e gabimit për të ekzekutuar simulime të dobishme.

Sjellja e një katalizatori varet nga elektronet e tij, dhe sjellja e tyre varet nga një kombinim i orbitalit që ata zënë dhe rrotullimit të tyre (i cili mund të jetë lart ose poshtë). Nëse elektronet ndajnë një orbitale me një partner, ata do të kenë rrotullime të kundërta dhe në thelb anulojnë njëri-tjetrin. Por shumë kimi përfshin elektrone të paçiftëzuara, të cilat kanë atë që ju mund të mendoni si spin të ekspozuar. Rrotullimet ndikojnë në nivelet e energjisë që mund të zënë dhe mund të ndërveprojnë me rrotullime të paçiftuara diku tjetër në molekulë.

Por spin-i është një veti kuantike, me të gjitha ndërlikimet që rrjedhin prej saj. Dhe sa më shumë rrotullime të paçiftuara të ketë një molekulë, aq më të ndërlikuara janë ndërveprimet mes tyre. Rezultati neto është se parashikimi i rrotullimeve të një molekule si një katalizator bëhet shpejt i vështirë nga ana llogaritëse.

Por meqenëse rrotullimet e një molekule janë një sistem kuantik, është e mundur të simulohet sjellja e tyre në sisteme të tjera kuantike. Në fakt, një numër qasjesh ndaj kompjuterëve kuantikë, duke përfshirë ato që përfshijnë jonet e bllokuara ose atomet neutrale, ruajnë kubitët në rrotullime. Por simulimi i plotë i mënyrës se si elektronet e një molekule ndërveprojnë me kalimin e kohës përfshin shumë kubit dhe një seri të gjatë operacionesh të portës një dhe dy kubit që janë qendrore për llogaritjet kuantike.

Puna e re, e kryer kryesisht nga studiues në Berkeley dhe Harvard, përshkruan një metodë për të bërë një simulim të funksionojë shumë më me efikasitet.

Procesi fillon duke përdorur kompjuterë të rregullt për të thjeshtuar një problem që duhet zgjidhur duke përdorur pajisje kuantike. Kjo në thelb heq qafe disa aspekte të problemit që nuk janë veçanërisht të rëndësishme për shumicën e katalizatorëve, si sjellja e tyre në kushte ekstreme. Në vend të kësaj, ai thjeshton përshkrimin e sistemit (i quajtur Hamiltonian) për t’u fokusuar në sjelljen e çdo rrotullimi të paçiftuar kur sistemi është me energji të ulëta.

Hamiltoniani që përshkruan rrotullimet është hartuar më pas në një procesor kuantik, me një grup kubitësh të lidhur të përkushtuar ndaj sjelljes së çdo elektroni rrotullues individual. Ky sistem është mjaftueshëm gjenerik për t’u hartuar në çdo pajisje kuantike dhe mund të bëhet që të evoluojë me kalimin e kohës, ashtu siç bën sistemi i botës reale.

Por studiuesit zbuluan se mund të merrnin performancë më të mirë në anën kuantike të gjërave duke përdorur një kompjuter kuantik të bazuar në atome neutrale. Një algoritëm tipik i llogaritjes kuantike supozon se të gjitha operacionet llogaritëse, të quajtura porta, kryhen duke përdorur ose një qubit individual ose çifte kubitësh (këto quhen porta një ose dy qubit). Por meqenëse atomet neutrale mund të lëvizin përreth, është e mundur të grupohen edhe më shumë prej tyre në mënyrë që një grup i vogël atomesh të kryejë një portë. Këto porta me shumë kubit rezultojnë të lejojnë që llogaritjet specifike të nevojshme këtu të kryhen në mënyrë shumë më efikase sesa do të mund të kufizoheshin në portat me dy qubit.

Rezultati neto është një operacion shumë më i shpejtë që përfshin shumë më pak porta. Kjo është e rëndësishme sepse gabimet në harduerin kuantik rriten si funksion i kohës dhe numrit të operacioneve.

Studiuesit më pas përdorën këtë qasje për të eksploruar një kimikat, Mn 4 O 5 Ca, që luan një rol kyç në fotosintezën. Duke përdorur këtë qasje, ata treguan se është e mundur të llogaritet ajo që quhet “shkalla rrotulluese”, ose lista e gjendjeve me energji më të ulët që elektronet mund të zënë. Dallimet e energjisë midis këtyre gjendjeve korrespondojnë me gjatësinë e valës së dritës që ato mund të thithin ose lëshojnë, kështu që kjo përcakton edhe spektrin e molekulës.

Ne nuk jemi plotësisht gati për ta ekzekutuar këtë sistem në kompjuterët kuantikë të sotëm, pasi shkalla e gabimit është ende paksa shumë e lartë. Por për shkak se operacionet e nevojshme për të ekzekutuar këtë lloj algoritmi mund të bëhen në mënyrë kaq efikase, normat e gabimit nuk duhet të ulen shumë përpara se sistemi të bëhet i zbatueshëm. Përcaktuesi kryesor nëse do të rezultojë në një gabim është se sa larg dimensionit kohor ju e ekzekutoni simulimin, plus numrin e matjeve të sistemit që merrni për atë kohë.

“Algoritmi është veçanërisht premtues për pajisjet afatshkurtër që kanë kërkesa të favorshme për burime të përcaktuara nga numri i fotografive (kompleksiteti i mostrës) dhe koha maksimale e evolucionit (koherenca) e nevojshme për llogaritjen e saktë spektrale,” shkruajnë studiuesit.

Por puna bën edhe disa pika më të mëdha. E para është se kompjuterët kuantikë janë krejtësisht ndryshe nga format e tjera të llogaritjes që kemi zhvilluar. Ata janë në gjendje të ekzekutojnë gjëra që duken si algoritme tradicionale, ku kryhen operacionet dhe përcaktohet një rezultat. Por ato janë gjithashtu sisteme kuantike që po rriten në kompleksitet me çdo gjeneratë të re të harduerit, gjë që i bën ata të shkëlqyer në simulimin e sistemeve të tjera kuantike. Dhe ka një numër problemesh të vështira që përfshijnë sistemet kuantike që do të donim t’i zgjidhnim.

Në disa mënyra, ne mund të fillojmë vetëm të gërvishtim sipërfaqen e potencialit të kompjuterëve kuantikë. Deri vonë, kishte shumë hipoteza; tani duket se jemi në prag të përdorimit të një për disa llogaritje potencialisht të dobishme. Dhe kjo do të thotë se më shumë njerëz do të fillojnë të mendojnë për mënyra të zgjuara se si mund t’i zgjidhim problemet me ta – duke përfshirë raste si ky, ku pajisja do të përdoret në mënyra që projektuesit e tij as që mund t’i kenë menduar.