Para saintis Makmal Penyelidikan Tentera Laut AS (NRL) telah menerbitkan algoritma Cascaded Variational Quantum Eigensolver (CVQE) dalam Kajian Kajian Fizikal artikel. Algoritma ini dijangka menjadi alat yang berkuasa untuk menyiasat sifat fizikal dalam sistem elektronik.
Algoritma CVQE ialah varian daripada algoritma Variational Quantum Eigensolver (VQE) yang hanya memerlukan pelaksanaan satu set litar kuantum sekali dan bukannya pada setiap lelaran semasa proses pengoptimuman parameter, dengan itu meningkatkan daya pengiraan.
"Kedua-dua algoritma menghasilkan keadaan kuantum yang hampir dengan keadaan dasar sistem, yang digunakan untuk menentukan banyak sifat fizikal sistem," kata John Stenger, Ph.D., ahli fizik penyelidikan Bahagian Kimia Teori. "Pengiraan yang sebelum ini mengambil masa berbulan-bulan kini boleh dilakukan dalam beberapa jam."
Algoritma CVQE menggunakan komputer kuantum untuk menyiasat fungsi jisim kebarangkalian yang diperlukan dan komputer klasik untuk melaksanakan pengiraan yang tinggal, termasuk pengecilan tenaga.
"Mencari tenaga minimum adalah sukar dari segi pengiraan kerana saiz ruang keadaan berkembang secara eksponen dengan saiz sistem," kata Steve Hellberg, Ph.D., ahli fizik penyelidikan Theory of Advanced Functional Materials Section. "Kecuali untuk sistem yang sangat kecil, walaupun superkomputer paling berkuasa di dunia tidak dapat mencari keadaan asas yang tepat."
Untuk menangani cabaran ini, saintis menggunakan komputer kuantum dengan daftar qubit, yang ruang keadaannya juga meningkat secara eksponen, dalam kes ini dengan qubit. Dengan mewakili keadaan sistem fizikal pada ruang keadaan daftar, komputer kuantum boleh digunakan untuk mensimulasikan keadaan dalam ruang perwakilan sistem yang besar secara eksponen.
Data kemudiannya boleh diekstrak dengan pengukuran kuantum. Oleh kerana ukuran kuantum tidak bersifat deterministik, pelaksanaan litar kuantum mesti diulang beberapa kali untuk menganggarkan taburan kebarangkalian yang menerangkan keadaan, proses yang dikenali sebagai pensampelan. Algoritma kuantum variasi, termasuk algoritma CVQE, mengenal pasti keadaan percubaan dengan satu set parameter yang dioptimumkan untuk meminimumkan tenaga.
"Perbezaan utama antara kaedah VQE asal dan kaedah CVQE baharu ialah proses pensampelan dan pengoptimuman telah dipisahkan dalam kaedah kedua supaya pensampelan boleh dilakukan secara eksklusif pada komputer kuantum dan parameter diproses secara eksklusif pada komputer klasik," kata Dan Gunlycke, D.Phil., Ketua Bahagian Kimia Teori, yang juga mengetuai usaha pengkomputeran kuantum NRL.
“Pendekatan baharu itu juga mempunyai faedah lain. Bentuk ruang penyelesaian tidak perlu bersesuaian dengan keperluan simetri daftar qubit, dan oleh itu, lebih mudah untuk membentuk ruang penyelesaian dan melaksanakan simetri sistem dan kekangan bermotivasi fizikal lain, yang akhirnya akan membawa kepada lebih banyak ramalan tepat sifat sistem elektronik, "sambung Gunlycke.
Pengkomputeran kuantum adalah komponen sains kuantum, yang telah ditetapkan sebagai Kritikal Teknologi Kawasan dalam Wawasan Teknologi USD(R&E) untuk Era Persaingan oleh Setiausaha Rendah Pertahanan untuk Penyelidikan dan Kejuruteraan Heidi Shyu.
"Memahami sifat sistem kuantum-mekanikal adalah penting dalam pembangunan bahan dan kimia baharu untuk Tentera Laut dan Kor Marin," kata Gunlycke. “Kakisan, sebagai contoh, adalah cabaran yang merugikan Jabatan Pertahanan berbilion-bilion setiap tahun. Algoritma CVQE boleh digunakan untuk mengkaji tindak balas kimia yang menyebabkan kakisan dan memberikan maklumat kritikal kepada pasukan antikarat sedia ada kami dalam usaha mereka untuk membangunkan salutan dan bahan tambahan yang lebih baik."
Selama beberapa dekad, NRL telah menjalankan penyelidikan asas dalam sains kuantum, yang berpotensi untuk menghasilkan teknologi Pertahanan yang mengganggu untuk ketepatan, navigasi dan masa; penderiaan kuantum; pengkomputeran kuantum; dan rangkaian kuantum.