Kwantowe obliczenia zapewnią przełomy w chemii. W jaki sposób?

Oczekuje się, że kwantowe obliczenia pozwolą nam rozwiązywać zadania obliczeniowe, które nie mogą być rozwiązane istniejącymi klasycznymi metodami obliczeń. Obecnie uważa się, że pierwsza dyscyplina, która otrzyma potężny impuls od kwantowych osiągnięć, to chemii kwantowej. W 1982 roku fizyk i laureat nagrody Nobla, Richard Feynman zauważyłem, że symulacja, a następnie analiza i cząsteczek — jest tak skomplikowana sprawa dla cyfrowego komputera, co staje się praktycznie bezużyteczny dla tych spraw.

I problem polegał nie na tym, że równania, które sterują tymi symulacje ekonomiczne, były trudne, nie. W rzeczywistości, były one stosunkowo proste i subtelne, i wiedzieli o nich od wielu lat. Problem polegał na tym, że większość interesujących naukowców cząsteczek zawierały setki elektronów, i każdy z tych elektronów komunikował się z każdym innym elektronem kwantowo-mechanicznie — co prowadziło do milionów interakcji, które nie może przetworzyć nawet najpotężniejszy komputer.

komputery Kwantowe

Aby pokonać kwantową naturę tych równań, Feynman zaproponował utworzenie komputery kwantowe, które będą wykonywać obliczenia, opierając się na prawach fizyki kwantowej, jako odpowiedzi. Niestety, to jest precyzyjne manipulowanie poszczególnymi kwantowej, jak było praktycznie niemożliwe z technicznego punktu widzenia. Żart, która zdążyła wielu zmęczyć w ciągu ostatnich 35 lat, polegał na tym, że komputery kwantowe będą za dziesięć lat".

W Ciągu ostatnich kilku lat to, co kiedyś było odległym marzeniem, powoli zawarta jest w rzeczywistości. Kwantowe komputery zaczynają się pojawiać, miliony programy działają za pośrednictwem chmury, przydatne aplikacje uzyskują kształt.

Moc kwantowego komputera można w przybliżeniu oszacować ilość kolekcjonerzy, lub kwantowych bitów: każdy kubit może być i 1, i 0 tym samym czasie. Istnieje kilka obiecujących sprzętu podejścia do kwantowym obliczeń, w tym fizyka, pułapki jonowe i topologiczne tranzystory. Każdy z nich ma plusy i minusy, ale nadprzewodniki zajmują pierwsze miejsce pod względem skalowalności. Google, IBM i Intel używać ten podejście do tworzenia procesorów kwantowych w zakresie od 49 do 72 kolekcjonerzy. Jakość кубита również stale się poprawia.

Przełom w chemii

Przełom naukowców z Centrum kwantowych obliczeń Cambridge i ich partnerów z JSR Corp polegał na zdolności modelować мультиреференсные stanu cząsteczek. Мультиреференсные stanu często są niezbędne do opisu "wzbudzonych stanów", które pojawiają się, gdy cząsteczki oddziałują wzajemnie na siebie.

Przyczyna tego, że takie modelowanie jest ważne, polega na tym, że klasyczne komputery cyfrowe praktycznie nic nie mogą poradzić na мультиреференсными stanami; w wielu przypadkach klasyczne metody obliczeń nie tylko ilościowo, ale i jakościowo nie są w stanie opisać elektronową strukturę cząsteczki.

Ważny problem, który niedawno został rozwiązany, polegała na tym, aby znaleźć sposoby, którymi kwantowy komputer mógł skutecznie wykonywać obliczenia i z wymaganej chemicznej dokładnością do realnego świata. Program został uruchomiony na 20-кубитном procesorze IBM.

Dlaczego chemia trafiła w pole takiego zainteresowania? Chemia — jeden z najbardziej korzystnych komercyjnych aplikacji z wielu powodów. Naukowcy liczą na to znaleźć bardziej energooszczędne materiały, które będzie można wykorzystać w bateriach lub paneli słonecznych. Istnieją również korzyści dla środowiska: około dwóch procent energii na świecie odchodzi do produkcji nawozów, które strasznie nieskuteczne i mogą być poprawione poprzez skomplikowane analizy chemicznej.

W Końcu, istnieją aplikacje w uosobionej medycynie, z możliwością przewidywania, jak preparaty farmaceutyczne będą wpływać na ludzi, opierając się na ich genetyki. W dłuższej perspektywie — możliwość rozwoju preparat do konkretnej osoby w celu maksymalnie efektywnego leczenia i minimalizacji efektów ubocznych.

U CQC i JSR Corp było dwie strategie, które pozwoliły naukowcom zrealizować ten przełom. Po pierwsze, używali własny kompilator CQC dla najbardziej efektywnej konwersji programu komputerowego w instrukcji do manipulowania кубитом. Taka skuteczność jest szczególnie ważne w nowoczesnych малокубитных машиных, w których każdy kubit jest ważny i potrzebny, a szybkość wykonania ma kluczowe znaczenie.

Po drugie, używali zaawansowana usługa uczenie maszynowe, specjalne подполе uczenia maszynowego, który wykorzystuje wektor amplitudy, a nie tylko prawdopodobieństwa. Stosowana metoda kwantowego uczenia maszynowego został specjalnie zaprojektowany dla малокубитных komputerów kwantowych, z częściowego rozładunku za pomocą tradycyjnych procesorów.

W ciągu najbliższych kilku lat przewiduje się znaczną poprawę kwantowej zarówno sprzętu, jak i oprogramowania. W miarę tego, jak obliczenia stają się coraz bardziej dokładne, coraz więcej branż mogą skorzystać z aplikacji dla komputerów kwantowych, w tym i chemię kwantową. Gartner prognozuje, że już za cztery lata u 20% korporacji będzie budżet na kwantowe obliczenia. Przez dziesięć lat staną się one nieodłącznym elementem technologii.

Wierzysz? Powiedz w naszej