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La simulación de química cuántica de Google sugiere un camino prometedor

Hola otra vez. En el teclado Simón Sánchez y esta vez te voy a contar sobre La simulación de química cuántica de Google sugiere un camino prometedor

Un premio largamente esperado en la computación cuántica es la capacidad de modelar con mayor precisión el comportamiento de los enlaces químicos. Esto debería conducir a mejores métodos de síntesis química, como la fijación de nitrógeno y la síntesis de amoníaco, así como al diseño de nuevos materiales. Los investigadores de Google informaron en un artículo de Science la semana pasada que pudieron simular las energías de enlace en el diazeno y las cadenas de hidrógeno estiradas en el procesador cuántico Sycamore de 54 qubit de Google. Esta es la simulación química más grande realizada en computadoras cuánticas hasta la fecha informada por Google.

El trabajo es un estudio POC significativo que sugiere un camino hacia adelante para el uso de las llamadas computadoras cuánticas ruidosas de escala intermedia (NISQ) para aplicaciones prácticas en química cuántica.

Hay un corto cuenta del trabajo publicado en Physics Today. Los investigadores de Google utilizaron un método Hartree-Fock que suponía que la función de onda de un sistema de electrones podía escribirse «en términos de funciones de un solo electrón, sin interacciones electrón-electrón, y que cada electrón percibe el campo». promedio eléctrico de los otros electrones. ”Luego, la función de onda se ajusta para minimizar su energía.

Aquí hay un extracto del artículo Physics Today escrito por Heather Hill:

«Los investigadores utilizaron este método para dos puntos de referencia de estructuras electrónicas comunes: distinguir las vías para que una molécula de diazeno, HNNH, se transforme entre isómeros cis y trans, y encontrar la energía de unión de las cadenas de hidrógeno lineales estiradas por longitudes. de 6, 8, 10 y 12. Los cálculos anteriores de la estructura electrónica por computadoras cuánticas requerían sólo hasta 6 qubits, pero aquí los investigadores utilizado hasta 12 qubits interactuando a través de 72 puertas lógicas de dos qubit.

“Con todos esos qubits y puertas, la mitigación de errores era esencial. El equipo solo tomó medidas en las que el número de partículas permaneció igual; un cambio en ese número es una clara señal de un error. Los investigadores también observaron las densidades de una partícula y, si la función de onda no producía los valores propios 0 y 1 previstos, la proyectaban en el estado más cercano. Pudieron obtener una precisión lo suficientemente alta para lograr predicciones químicas con 99% de fidelidad para puertas lógicas y 97% de fidelidad para lectura. «

Hill señala que las computadoras clásicas pueden modelar todos los sistemas en el estudio actual, y los problemas clásicamente intratables requerirán un orden de magnitud adicional o dos qubits más; sin embargo, se espera que aumenten las estrategias que los investigadores han desarrollado e implementado.

Los investigadores cuánticos de Google, Nicholas Rubin y Charles Neill, señalan en un blog de IA de Google: «[We] utilizó un ruido robusto Eigensolver cuántico variacional (VQE) para simular directamente un mecanismo químico a través de un algoritmo cuántico. Aunque el cálculo se centró en la Hartree-Fock Aproximación de un sistema químico real, era dos veces más grande que los cálculos químicos anteriores en una computadora cuántica y contenía diez veces más operaciones de puerta cuántica. Es importante destacar que validamos que los algoritmos actualmente disponibles en desarrollo para computadoras cuánticas pueden lograr la precisión requerida para las predicciones experimentales, revelando caminos hacia simulaciones realistas de sistemas químicos cuánticos «.

Google tiene lanzó el código para el experimento, que utiliza OpenFermion, El repositorio de código abierto de Google para cálculos de química cuántica.

Uno de los mayores desafíos que enfrenta la computadora cuántica es la corrección y mitigación de errores. Rubin y Neil dijeron que el trabajo anterior de Google para demostrar la supremacía cuántica (consulte la cobertura de Calendae, Google se hace público con Quantum Supremacy Achievement; IBM no está de acuerdo) ha llevado al desarrollo de técnicas de calibración específicas «que amplifican de forma óptima errores para que puedan ser diagnosticados y corregidos «.

Los investigadores escribieron: “Los errores en la computación cuántica pueden originarse a partir de una variedad de fuentes en la pila de hardware cuántico. Sycamore tiene 54 qubits y consta de más de 140 elementos sintonizables individualmente, cada uno controlado con pulsos eléctricos analógicos de alta velocidad. Lograr un control preciso de todo el dispositivo requiere un ajuste fino de más de 2000 parámetros de control, e incluso pequeños errores en estos parámetros pueden sumarse rápidamente a grandes errores en el cálculo total.

“Para controlar con precisión el dispositivo, utilizamos un marco automatizado que mapea el problema de control en un gráfico con miles de nodos, cada uno de los cuales representa un experimento de física para determinar un único parámetro desconocido. Explorar este gráfico nos lleva desde los antecedentes básicos del dispositivo a un procesador cuántico de alta fidelidad, y se puede hacer en menos de un día. En definitiva, estas técnicas junto con la mitigación de errores algorítmicos han permitido una reducción de órdenes de magnitud de errores ”.

Rubin y Neill dicen que el experimento sirve como modelo de cómo realizar cálculos químicos en procesadores cuánticos y como punto de partida en el camino hacia las ventajas de la simulación física.

Enlace al artículo de Science (Hartree-Fock en una computadora cuántica qubit superconductora): https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1084

Enlace al blog de Google: https://ai.googleblog.com/2020/08/scaling-up-fundamental-quantum.html

Enlace al artículo de Physics Today: https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20200908a/full/

Función de pie de foto: El procesador Sycamore de Google montado en un criostato, utilizado recientemente para demostrar la supremacía cuántica y la simulación más grande de química cuántica en una computadora cuántica. Crédito de la foto: Rocco Ceselin

Fuente de cifras: Blog de IA de Google

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