นักวิทยาศาสตร์นำเสนออัลกอริธึมควอนตัมเพื่อพัฒนาวัสดุและเคมีใหม่ๆ

นักวิทยาศาสตร์จาก US Naval Research Laboratory (NRL) ได้เผยแพร่อัลกอริทึม Cascaded Variational Quantum Eigensolver (CVQE) เมื่อเร็ว ๆ นี้ การวิจัยทบทวนทางกายภาพ บทความ. คาดว่าอัลกอริทึมนี้จะกลายเป็นเครื่องมือที่ทรงพลังในการตรวจสอบคุณสมบัติทางกายภาพในระบบอิเล็กทรอนิกส์

อัลกอริธึม CVQE เป็นอีกรูปแบบหนึ่งของอัลกอริธึม Variational Quantum Eigensolver (VQE) ที่ต้องการการดำเนินการชุดวงจรควอนตัมเพียงครั้งเดียวเท่านั้น แทนที่จะวนซ้ำทุกครั้งในระหว่างกระบวนการปรับพารามิเตอร์ให้เหมาะสมที่สุด ซึ่งจะเป็นการเพิ่มปริมาณการประมวลผลในการคำนวณ

“อัลกอริธึมทั้งสองสร้างสถานะควอนตัมใกล้กับสถานะพื้นของระบบ ซึ่งใช้เพื่อกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพของระบบหลายประการ” ดร.จอห์น สเตนเจอร์ นักฟิสิกส์วิจัยแผนกเคมีเชิงทฤษฎีกล่าว “การคำนวณที่ใช้เวลาหลายเดือนก่อนหน้านี้สามารถดำเนินการได้ในหน่วยชั่วโมง”

อัลกอริธึม CVQE ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อตรวจสอบฟังก์ชันมวลความน่าจะเป็นที่จำเป็น และใช้คอมพิวเตอร์คลาสสิกเพื่อทำการคำนวณที่เหลือ รวมถึงการลดพลังงานด้วย

“การค้นหาพลังงานขั้นต่ำนั้นทำได้ยากในการคำนวณ เนื่องจากขนาดของพื้นที่สถานะนั้นเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณตามขนาดของระบบ” Steve Hellberg, Ph.D. นักฟิสิกส์วิจัย Theory of Advanced Functional Materials Section กล่าว “ยกเว้นระบบที่มีขนาดเล็กมาก แม้แต่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุดในโลกก็ไม่สามารถค้นหาสถานะภาคพื้นดินที่แน่นอนได้”

เพื่อจัดการกับความท้าทายนี้ นักวิทยาศาสตร์ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีการลงทะเบียนคิวบิต ซึ่งพื้นที่สถานะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณด้วย ในกรณีนี้คือด้วยคิวบิต ด้วยการแสดงสถานะของระบบทางกายภาพบนพื้นที่สถานะของการลงทะเบียน คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถใช้เพื่อจำลองสถานะของในพื้นที่การแสดงขนาดใหญ่แบบเอกซ์โปเนนเชียลของระบบได้

ข้อมูลสามารถดึงออกมาได้ในภายหลังโดยการวัดควอนตัม เนื่องจากการวัดควอนตัมไม่สามารถกำหนดได้ การประมวลผลวงจรควอนตัมจึงต้องทำซ้ำหลายๆ ครั้งเพื่อประเมินการแจกแจงความน่าจะเป็นที่อธิบายสถานะต่างๆ ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการสุ่มตัวอย่าง อัลกอริธึมควอนตัมแบบแปรผัน รวมถึงอัลกอริธึม CVQE ระบุสถานะการทดลองด้วยชุดพารามิเตอร์ที่ได้รับการปรับปรุงเพื่อลดพลังงาน

“ข้อแตกต่างที่สำคัญระหว่างวิธี VQE ดั้งเดิมกับวิธี CVQE ใหม่ก็คือ กระบวนการสุ่มตัวอย่างและกระบวนการปรับให้เหมาะสมที่สุดได้แยกออกจากกันในระยะหลัง เพื่อให้การสุ่มตัวอย่างสามารถทำได้บนคอมพิวเตอร์ควอนตัมโดยเฉพาะ และพารามิเตอร์ที่ประมวลผลบนคอมพิวเตอร์คลาสสิกโดยเฉพาะ” Dan Gunlycke, D.Phil. หัวหน้าแผนกเคมีเชิงทฤษฎี ซึ่งเป็นผู้นำด้านการประมวลผลควอนตัม NRL กล่าว

“แนวทางใหม่ยังมีประโยชน์อื่นๆ อีกด้วย รูปแบบของพื้นที่โซลูชันไม่จำเป็นต้องสอดคล้องกับข้อกำหนดด้านสมมาตรของรีจิสเตอร์ qubit ดังนั้นจึงง่ายกว่ามากในการกำหนดรูปร่างของพื้นที่โซลูชัน และใช้ความสมมาตรของระบบและข้อจำกัดด้านร่างกายอื่นๆ ซึ่งท้ายที่สุดจะนำไปสู่ การคาดการณ์คุณสมบัติของระบบอิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างแม่นยำ” Gunlycke กล่าวต่อ

คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นส่วนประกอบหนึ่งของวิทยาศาสตร์ควอนตัม ซึ่งได้รับการกำหนดให้เป็นคอมพิวเตอร์เชิงวิกฤต เทคโนโลยี พื้นที่ภายในวิสัยทัศน์เทคโนโลยี USD (R&E) สำหรับยุคแห่งการแข่งขันโดยปลัดกระทรวงกลาโหมเพื่อการวิจัยและวิศวกรรม Heidi Shyu

“การทำความเข้าใจคุณสมบัติของระบบเครื่องกลควอนตัมเป็นสิ่งสำคัญในการพัฒนาวัสดุและเคมีใหม่สำหรับกองทัพเรือและนาวิกโยธิน” Gunlycke กล่าว “ยกตัวอย่างเช่น การกัดกร่อนเป็นความท้าทายที่เกิดขึ้นทุกหนทุกแห่งซึ่งส่งผลให้กระทรวงกลาโหมต้องสูญเสียเงินหลายพันล้านต่อปี อัลกอริธึม CVQE สามารถใช้เพื่อศึกษาปฏิกิริยาทางเคมีที่ทำให้เกิดการกัดกร่อน และให้ข้อมูลที่สำคัญแก่ทีมป้องกันการกัดกร่อนที่มีอยู่ของเราในภารกิจในการพัฒนาสารเคลือบและสารเติมแต่งที่ดีขึ้น”

เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่ NRL ดำเนินการวิจัยพื้นฐานในด้านวิทยาศาสตร์ควอนตัม ซึ่งมีศักยภาพในการผลิตเทคโนโลยีการป้องกันที่ก่อกวนในด้านความแม่นยำ การนำทาง และเวลา การตรวจจับควอนตัม คอมพิวเตอร์ควอนตัม และเครือข่ายควอนตัม