Квантовый компьютер рассчитал структуру гидрида бериллия⁠⁠

С помощью квантового компьютера из семи кубитов американские физики из IBM рассчитали энергетические структуры нескольких химических молекул, в том числе и сложнейшую на данный момент для квантовых компьютеров структуру гидрида бериллия. Исследование опубликовано в Nature.

Квантово-химические расчеты и моделирование структуры химических молекул (пусть и самых простых) — та область, в которой квантовые компьютеры могут использоваться уже сейчас. При этом по скорости вычислений они уже могут превосходить традиционные численные методы, используемые для минимизации энергии при расчете гамильтониана, такие как, например, метод Монте-Карло. Трудности классических методов связаны либо с необходимостью точно решить задачу взаимодействия нескольких фермионов, либо с проблемой знака (для того, чтобы получить точное близкое к нулю значение, необходимо проинтегрировать очень быстро осциллирующую вокруг нуля функцию, на что большинству методов просто не хватает точности). К настоящему моменту с помощью квантовых компьютеров уже были рассчитаны структуры простейших соединений, состоящих, правда, пока только из элементов первого периода — водорода и гелия.

В своей новой работе физики из IBM с помощью квантового компьютера смоделировали энергетическую структуру двух- и трехатомных молекул, включающих в себя уже элементы второго периода. В том числе самую сложную на сегодняшний день структуру гидрида бериллия BeH2. Для этого были использованы сверхпроводниковый квантовый процессор и система из семи кубитов, связанных между собой сверхпроводниковыми резонаторами. Оптимизация этой компьютерной схемы позволила решить задачу для более ста членов разложения в уравнении Паули, необходимых для описания основного энергетического состояния фермионов. Предложенная исследователями архитектура состояла из трех основных блоков: с помощью первого блока были получены базовые оценки для основного энергетического состояния, второй блок отвечал за кодирование фермионных гамильтонианов, а третий — использовался для стохастической оптимизации, которая приводила к дальнейшей минимизации энергии. При этом в силу симметрии спиновых орбиталей при взаимодействии число кубитов в квантовом компьютере, непосредственно использующихся для их моделирования, было сокращено с восьми до шести.

Кривые потенциальной энергии для молекул водорода (a), гидрида лития (b) и гидрида бериллия (c). Точками показаны кривые, полностью полученные с помощью квантового компьютера. Кривыми — точный расчет с использованием части данных квантовых вычислений.

В качестве наглядного результата моделирования, ученые представили кривые зависимости потенциальной энергии от расстояния в молекулах водорода, гидрида лития и гидрида бериллия. Полученные данные физики сравнили с точным расчетом для основного состояния. Найденные отклонения от кривой для точного расчета ученые объясняют декогеренцией и недостаточной глубиной при расчетах базового энергетического состояния. Помимо моделирования структур отдельных молекул, физики показали, что предложенная ими архитектура квантового компьютера может использоваться и для достаточно точного расчета квантово-магнитных систем.

Опубликованная работа показала, что, несмотря на некоторые неточности, которые пока присутствуют в результатах, перспективы использования квантовых компьютеров для расчета структуры химических молекул действительно весьма многообещающие. В качестве основных способов дальнейшего усовершенствования квантово-компьютерных систем ученые называют увеличение времени когеренции и улучшение связи между отдельными кубитами.

Квантово-химические расчеты — не единственный пример успешного использования квантовых компьютеров. Так, недавно немецкие ученые использовали квантовый компьютер для моделирования физики высоких энергий.

N+1