Gli scienziati del Naval Research Laboratory (NRL) degli Stati Uniti hanno pubblicato l'algoritmo Cascaded Variational Quantum Eigensolver (CVQE) in un recente Ricerca di revisione fisica articolo. Si prevede che l'algoritmo diventi un potente strumento per studiare le proprietà fisiche nei sistemi elettronici.
L'algoritmo CVQE è una variante dell'algoritmo Variational Quantum Eigensolver (VQE) che richiede l'esecuzione di un insieme di circuiti quantistici solo una volta anziché ad ogni iterazione durante il processo di ottimizzazione dei parametri, aumentando così il throughput computazionale.
"Entrambi gli algoritmi producono uno stato quantistico vicino allo stato fondamentale di un sistema, che viene utilizzato per determinare molte delle proprietà fisiche del sistema", ha affermato John Stenger, Ph.D., fisico ricercatore della Sezione di Chimica Teorica. “I calcoli che prima richiedevano mesi ora possono essere eseguiti in poche ore.”
L'algoritmo CVQE utilizza un computer quantistico per sondare le funzioni di massa di probabilità necessarie e un computer classico per eseguire i restanti calcoli, inclusa la minimizzazione dell'energia.
"Trovare l'energia minima è difficile dal punto di vista computazionale poiché la dimensione dello spazio degli stati cresce esponenzialmente con la dimensione del sistema", ha affermato Steve Hellberg, Ph.D., fisico ricercatore della Sezione Teoria dei Materiali Funzionali Avanzati. “Ad eccezione dei sistemi molto piccoli, anche i supercomputer più potenti del mondo non sono in grado di trovare l’esatto stato fondamentale”.
Per affrontare questa sfida, gli scienziati utilizzano un computer quantistico con un registro di qubit, il cui spazio degli stati aumenta anch’esso in modo esponenziale, in questo caso con i qubit. Rappresentando gli stati di un sistema fisico nello spazio degli stati del registro, un computer quantistico può essere utilizzato per simulare gli stati nello spazio di rappresentazione esponenzialmente grande del sistema.
I dati possono successivamente essere estratti mediante misurazioni quantistiche. Poiché le misurazioni quantistiche non sono deterministiche, le esecuzioni dei circuiti quantistici devono essere ripetute più volte per stimare le distribuzioni di probabilità che descrivono gli stati, un processo noto come campionamento. Gli algoritmi quantistici variazionali, incluso l'algoritmo CVQE, identificano gli stati di prova tramite una serie di parametri ottimizzati per ridurre al minimo l'energia.
"La differenza fondamentale tra il metodo VQE originale e il nuovo metodo CVQE è che i processi di campionamento e ottimizzazione sono stati disaccoppiati in quest'ultimo in modo tale che il campionamento possa essere eseguito esclusivamente sul computer quantistico e i parametri elaborati esclusivamente su un computer classico." ha affermato Dan Gunlycke, D.Phil., capo della sezione di chimica teorica, che guida anche lo sforzo di calcolo quantistico dell'NRL.
“Il nuovo approccio presenta anche altri vantaggi. La forma dello spazio delle soluzioni non deve necessariamente corrispondere ai requisiti di simmetria del registro dei qubit e, pertanto, è molto più semplice modellare lo spazio delle soluzioni e implementare simmetrie del sistema e altri vincoli fisicamente motivati, che alla fine porteranno a più previsioni accurate delle proprietà dei sistemi elettronici”, ha continuato Gunlycke.
L'informatica quantistica è una componente della scienza quantistica, che è stata designata come critica Tecnologia Area all'interno della Visione tecnologica USD (R&E) per un'era di concorrenza del Sottosegretario alla Difesa per la ricerca e l'ingegneria Heidi Shyu.
“Comprendere le proprietà dei sistemi quanto-meccanici è essenziale per lo sviluppo di nuovi materiali e prodotti chimici per la Marina e il Corpo dei Marines”, ha affermato Gunlycke. “La corrosione, ad esempio, è una sfida onnipresente che costa miliardi ogni anno al Dipartimento della Difesa. L’algoritmo CVQE può essere utilizzato per studiare le reazioni chimiche che causano la corrosione e fornire informazioni critiche ai nostri team anticorrosione esistenti nel loro tentativo di sviluppare rivestimenti e additivi migliori”.
Per decenni, l’NRL ha condotto ricerche fondamentali nella scienza quantistica, che hanno il potenziale per produrre tecnologie di difesa dirompenti per precisione, navigazione e tempistica; rilevamento quantistico; informatica quantistica; e reti quantistiche.