Quantencomputer stellen Durchbrüche in der Chemie. Auf welche Weise?

Es wird Erwartet, dass Quantencomputer erlauben uns, Rechenaufgaben zu lösen, die nicht gelöst werden können bestehenden klassischen Methoden der Berechnung. Es wird nun angenommen, dass die erste Disziplin, die erhält ein mächtiger Impuls von Quanten Erfolge, Quantum chemistry. Im Jahr 1982 Physiker-Nobelpreisträger Richard Feynman bemerkte, dass die Simulation, und dann und Analyse von Molekülen — so eine komplexe Angelegenheit für digitale Computer, er wird praktisch nutzlos für diese Angelegenheiten.

Und das Problem Bestand nicht darin, dass die Gleichungen, welche diesen Simulationen, waren kompliziert, Nein. In der Tat, Sie waren relativ einfachen und geradlinigen, und wussten, dass Ihnen über viele Jahre. Das Problem Bestand darin, dass die meisten relevanten Wissenschaftler Moleküle enthielten Hunderte von Elektronen, und jede dieser Elektronen interagiert mit jedem anderen Elektron Quanten-mechanische Weise — das führte zu Millionen von Interaktionen, die nicht bearbeitet werden kann selbst den stärksten Computer.

Quantencomputer

Zu überwinden Quanten-Natur dieser Gleichungen, Feynman vorgeschlagen, dass ein Quanten-Computer, die Berechnungen durchführen, basierend auf den Gesetzen der Quantenphysik, als Antwort. Leider ist der genaue Manipulation von einzelnen Quanten-Objekten war fast unmöglich, aus technischer Sicht. Ein Witz, die es geschafft, viele Reifen in den letzten 35 Jahren, Bestand darin, dass der Quanten-Computer «werden in zehn Jahren».

In den letzten paar Jahren, was einmal war ein ferner Traum, inkarniert sich langsam in die Realität. Quanten-Computer beginnen zu erscheinen, Millionen von Programmen arbeiten über die cloud, nützliche Apps finden Form.

Leistung eines Quantencomputers kann man eine grobe Schätzung der Menge an cubits, oder Quanten-Bits: jedes Qubit darstellen kann und 1 und 0 gleichzeitig. Es gibt einige vielversprechende Hardware-Ansätze zum Quanten-Computing, einschließlich Supraleitung, Ionen-fallen und topologische transistoren. Jeder von Ihnen hat vor-und Nachteile, aber Supraleiter belegen den ersten Platz in Bezug auf die Skalierbarkeit. Google, IBM und Intel verwenden diese Vorgehensweise für die Erstellung von Quanten-Prozessoren im Bereich von 49 bis 72 cubits. Qualität кубита auch ständig verbessert.

ein Durchbruch in der Chemie

Ein Durchbruch von Wissenschaftlern aus dem Zentrum für Quanten-Computing Cambridge und Ihre Partner aus JSR Corp Bestand in der Fähigkeit zu modellieren мультиреференсные Zustand der Moleküle. Мультиреференсные Zustand oft notwendig für die Beschreibung der «angeregte Zustände», die erscheinen, wenn die Moleküle interagieren.

Der Grund dafür, dass eine solche Simulation ist von wesentlicher Bedeutung, besteht darin, dass die klassischen digitalen Computern praktisch nichts zu tun mit мультиреференсными Zuständen; in vielen Fällen sind die klassischen Methoden der Berechnungen nicht nur quantitativ, sondern auch qualitativ nicht in der Lage zu beschreiben die elektronische Struktur der Moleküle.

Ein Wichtiges Problem, das wurde vor kurzem gelöst, Bestand darin, Wege zu finden, mit denen Quantencomputer könnte effizient Berechnungen durchführen und die erforderliche Chemische Genauigkeit für die Reale Welt. Das Programm wurde auf 20-кубитном Prozessor von IBM.

Warum die Chemie geriet in das Feld für dieses Interesse? Chemie — einer der besten kommerziellen Anwendungen für eine Reihe von Gründen. Die Wissenschaftler erwarten eine energieeffizienter Materialien für die Verwendung in Batterien oder Solar-Panels. Es gibt auch ökologische Vorteile: etwa zwei Prozent der Energie in der Welt geht auf die Produktion von Düngemitteln, die schrecklich ineffizient und können verbessert werden, durch komplexe Chemische Analyse.

Endlich gibt es Anwendungen in personifizierter Medizin, mit der Möglichkeit, vorherzusagen, wie Medikamente wirken auf die Menschen, basierend auf Ihrer Genetik. Langfristig — die Möglichkeit, ein Medikament zu entwickeln, für eine bestimmte Person für die optimale Behandlung und Minimierung der Nebenwirkungen.

Ein CQC und JSR Corp gab es zwei Strategien, die es ermöglichten, die Wissenschaftler führen diesen Durchbruch. Erstens, Sie verwendet einen eigenen Compiler CQC für die effiziente Umwandlung eines Computerprogramms in den Anweisungen zur Manipulation кубитом. Diese Effizienz besonders wichtig bei modernen малокубитных машиных, in denen jedes Qubit wichtig und notwendig ist, und die Geschwindigkeit der Ausführung ist von entscheidender Bedeutung.

Zweitens, Sie verwendeten Quanten-maschinelles lernen, spezielle Unterfeld des maschinellen Lernens, die anhand einer Vektor-Amplitude, und nicht nur Wahrscheinlichkeiten. Die verwendete Methode der Quanten-maschinelles lernen wurde speziell für малокубитных Quantencomputer, mit der teilweisen Entleerung mit herkömmlichen Prozessoren.

In den nächsten Jahren erwartet eine deutliche Verbesserung der Quanten-Hardware und Software. In dem Maße, wie die Berechnungen werden immer genauer, immer mehr Branchen profitieren von Anwendungen von Quanten-Computern, einschließlich der Quanten-Chemie. Gartner prognostiziert, dass in vier Jahren bei 20% der Unternehmen wird das Budget für Quantencomputer. In zehn Jahren werden Sie ein integraler Bestandteil der Technologie.

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