[ad_1]
Insider Brief
- Niedawne badanie przeprowadzone przez wieloinstytucjonalny zespół naukowców przedstawia nowe podejście do rozwiązywania problemów związanych z symulacjami chemicznymi przy użyciu obliczeń kwantowych.
- Praca ta może prowadzić do bardziej wydajnej chemii obliczeniowej, która z kolei może prowadzić do szybszego opracowywania leków i innowacji materiałowych.
- Obraz: Złożoność symulacji problemów chemicznych. Celujemy w zbiór problemów obliczeniowych, ChemPoly, w chemii, które mają złożoność wielomianową, gdy są symulowane na komputerze kwantowym i są obserwowalne w laboratorium; zbiory Lab i ChemPoly mogą się pokrywać. (Z opracowania)
Najnowsze badanie przeprowadzone przez wieloinstytucjonalny zespół naukowców przedstawia nowe podejście do rozwiązywania problemów symulacji chemicznej przy użyciu obliczeń kwantowych, potencjalnie oferując bardziej wydajną ścieżkę w chemii obliczeniowej. Badanie, opublikowane niedawno na serwerze preprintów ArXivproponuje innowacyjną metodę, która może znacznie poprawić sposób symulacji układów chemicznych, rozwiązując długotrwały problem eskalacji kosztów obliczeniowych wraz ze wzrostem rozmiaru systemu.
Zespół pisze: „Dzięki odpornym na uszkodzenia komputerom kwantowym, dynamiczna symulacja wielkości, na których może bezpośrednio zależeć praktykującemu chemikowi, jest w zasięgu ręki – większość istotnych problemów chemii kwantowej jest z natury rozwiązywalna poprzez samą dynamiczną ewolucję, co prowadzi do wydajnych algorytmów kwantowych dla tych problemów”.
Zespół kierowany przez University of Toronto- informuje, że ich badania stanowią odejście od tradycyjnych symulacji chemicznych, które były ograniczone przez ograniczenia klasycznych obliczeń. Badanie opiera się na podstawowych ideach zaproponowanych po raz pierwszy przez pionierów, w tym Paula Benioffa, Richarda Feynmana i Jurija Manina, którzy przewidzieli wykorzystanie komputerów kwantowych do symulacji systemów kwantowych.
Usuwanie „przekleństwa wymiarowości
Rdzeń tych badań leży w podejściu, które omija duże zapotrzebowanie obliczeniowe zwykle wymagane do określenia stanów podstawowych układów chemicznych. Zadanie to tradycyjnie stanowiło poważne wyzwanie ze względu na „przekleństwo wymiarowości” i było istotną częścią wykorzystania superkomputerów. Mówiąc najprościej – i prawdopodobnie zbyt prosto – klątwa wymiarowości odnosi się do tego, jak złożoność i wymagania algorytmu dotyczące zasobów obliczeniowych rosną wykładniczo wraz z liczbą wymiarów danych.
Nowa metoda koncentruje się jednak na dynamicznych symulacjach reakcji chemicznych, wykorzystując możliwości odpornych na uszkodzenia komputerów kwantowych.
Symulacje kwantowe, jak opisano w badaniu, obejmują ewolucję czasową zgodnie z równaniem Schrödingera w ramach hamiltonianu. Symulacje te są w zasięgu komputerów kwantowych, sklasyfikowanych w klasie złożoności obliczeniowej BQP (bounded error quantum polynomial time). Klasyfikacja ta sugeruje, że takie symulacje mogą być rozwiązywane z wielomianową złożonością czasową i ograniczonym prawdopodobieństwem błędu na komputerze kwantowym.
Naukowcy donoszą, że ich struktura opiera się na zestawie konfigurowalnych atomowych stanów początkowych, które są następnie przekształcane w stany wejściowe dla reakcji poprzez dynamiczny proces rozpraszania. Proces ten, wzmocniony sztucznymi potencjałami, prowadzi do wytworzenia molekularnego stanu wejściowego dla kolejnych symulacji dynamicznych. Podejście to różni się od wcześniejszych wysiłków, w szczególności omija wyzwania związane z twardością QMA przygotowania stanu podstawowego i związaną z tym katastrofą ortogonalności – zmniejszonym prawdopodobieństwem pomyślnego odzyskania stanu podstawowego, piszą naukowcy.
Ta nowa metodologia obiecuje ułatwić efektywną symulację szerokiej gamy problemów o znaczeniu chemicznym. Skupiając się na symulacjach dynamicznych, naukowcy zapewniają alternatywę dla intensywnego obliczeniowo wyszukiwania stanu podstawowego, tradycyjnie postrzeganego jako wąskie gardło w symulacjach chemicznych.
Chociaż badanie stanowi solidną podstawę teoretyczną, zespół przyznaje, że potrzebne są dalsze badania w celu oceny praktycznych aspektów ich podejścia. Przyszłe badania mogą obejmować integrację klasycznych narzędzi symulacyjnych, takich jak termostat Nosé-Hoovera i opracowanie heurystyki kwantowej dla stanów podstawowych. Należy również zauważyć, że ArXiv nie jest technicznie recenzowany, co jest ważnym krokiem w procesie naukowym.
O ile w przyszłych badaniach nie zostaną odkryte trudne do rozwiązania problemy, potencjalny wpływ tego rozwoju może być znaczący. Umożliwiając bardziej wydajne symulacje układów chemicznych na komputerach kwantowych, badania mogą przyspieszyć kilka różnych dziedzin, w tym rozwój leków, materiałoznawstwo i nie tylko. Co najmniej, badanie to podkreśla ewoluującą rolę obliczeń kwantowych w badaniach naukowych, a także oferuje sposób na rozwój dziedziny chemii obliczeniowej.
Badania były prowadzone przez Philippa Schleicha i obejmują dwa nazwiska, które powinny być znane w branży obliczeń kwantowych Joe Fitzsimons, z Horizon Quantum Computingoraz Alán Aspuru-Guzik, profesor chemii, informatyki, inżynierii chemicznej i materiałoznawstwa na Uniwersytecie w Toronto. W skład zespołu wchodzą również Lasse Bjørn Kristensen, Davide Avagliano, Mohsen Bagherimehrab, Abdulrahman Aldossary, Jorge A. Campos Angulo i Christoph Gorgulla.
[ad_2]