Simulering av molekyler på kvantdatorer har blivit mycket lättare med IBMs supraledande kvanthårdvara. I en nyligen publicerad forskningsartikel publicerad i Natur , Hårdvarueffektiv Variational Quantum Eigensolver för små molekyler och kvantmagneter, vi implementerar en ny kvantalgoritm som effektivt kan beräkna det lägsta energitillståndet för små molekyler. Genom att kartlägga den elektroniska strukturen hos molekylära orbitaler på en delmängd av vår specialbyggda kvantprocessor med sju qubit, vi studerade molekyler som tidigare outforskats med kvantdatorer, inklusive litiumhydrid (LiH) och berylliumhydrid (BeH2). Den speciella kodningen från orbitaler till qubits som studeras i detta arbete kan användas för att förenkla simuleringar av ännu större molekyler och vi förväntar oss möjligheten att utforska sådana större simuleringar i framtiden, när kvantberäkningskraften (eller "kvantvolymen") hos IBM Q-system har ökat.

Medan BeH2 är den största molekyl som någonsin simulerats av en kvantdator hittills, den övervägda modellen av själva molekylen är fortfarande enkel nog för klassiska datorer att simulera exakt. Detta gjorde det till ett testfall att tänja på gränserna för vad vår sju qubit-processor kunde uppnå, ytterligare vår förståelse för kraven för att förbättra noggrannheten i våra kvantsimuleringar, och lägga de grundläggande elementen som är nödvändiga för att utforska sådana molekylära energistudier.

De bästa simuleringarna av molekyler idag körs på klassiska datorer som använder komplexa ungefärliga metoder för att uppskatta den lägsta energin hos en molekylär Hamiltonian. En "Hamiltonian" är en kvantmekanisk energioperator som beskriver interaktionerna mellan alla elektronorbitaler och kärnor i de ingående atomerna. Det "lägsta energitillståndet" hos den molekylära Hamiltonian dikterar molekylens struktur och hur den kommer att interagera med andra molekyler. Sådan information är avgörande för kemister att designa nya molekyler, reaktioner, och kemiska processer för industriella tillämpningar.

Qubit:Orbital

Även om vår sju qubit kvantprocessor inte är helt felkorrigerad och feltolerant, koherenstiderna för de individuella qubitarna varar omkring 50 µs. Det är därför verkligen viktigt att använda en mycket effektiv kvantalgoritm för att få ut det mesta av vår värdefulla kvantkoherens och försöka förstå molekylära strukturer. Algoritmen måste vara effektiv när det gäller antalet använda kvantbitar och antalet kvantoperationer som utförs.

Vårt schema står i kontrast från tidigare studerade kvantsimuleringsalgoritmer, som fokuserar på att anpassa klassiska molekylära simuleringsscheman till kvanthårdvara – och på så sätt inte effektivt ta hänsyn till de begränsade omkostnaderna för nuvarande realistiska kvantenheter.

Så istället för att tvinga klassiska beräkningsmetoder på kvanthårdvara, vi har vänt tillvägagångssättet och frågat:hur kan vi extrahera den maximala kvantberäkningskraften ur vår sju qubit-processor?

Vårt svar på detta kombinerar ett antal hårdvarueffektiva tekniker för att attackera problemet:

• Först, en molekyls fermioniska Hamiltonian omvandlas till en qubit Hamiltonian, med en ny effektiv mappning som minskar antalet qubits som krävs i simuleringen.
• En hårdvarueffektiv kvantkrets som utnyttjar de naturligt tillgängliga grindoperationerna i kvantprocessorn används för att förbereda provjordtillstånd för Hamiltonian.
• Kvantprocessorn drivs till provgrundtillståndet, och mätningar utförs som tillåter oss att utvärdera energin i det förberedda försökstillståndet.
• De uppmätta energivärdena matas till en klassisk optimeringsrutin som genererar nästa kvantkrets för att driva kvantprocessorn till, för att ytterligare minska energin.
• Iterationer utförs tills lägsta energi erhålls med önskad noggrannhet.

Med framtida kvantprocessorer, som kommer att ha mer kvantvolym, vi kommer att kunna utforska kraften i detta tillvägagångssätt för kvantsimulering för allt mer komplexa molekyler som ligger bortom klassiska beräkningsmöjligheter. Förmågan att simulera kemiska reaktioner exakt, är ledande för ansträngningarna att upptäcka nya droger, gödselmedel, även nya hållbara energikällor.

Experimenten som vi beskriver i vår artikel kördes inte på våra för närvarande offentligt tillgängliga fem qubit- och 16 qubit-processorer i molnet. Men utvecklare och användare av IBM Q-upplevelsen kan nu komma åt Jupyter-anteckningsböcker för kvantkemi på QISKit github-repo. På fem qubit-systemet, användare kan utforska marktillståndsenergisimulering för de små molekylerna väte och LiH. Bärbara datorer för större molekyler är tillgängliga för dem med betaåtkomst till den uppgraderade 16-qubit-processorn.