En internationell grupp forskare har uppnått världens första multi-qubit-demonstration av en kvantkemisk beräkning utförd på ett system av instängda joner, en av de ledande hårdvaruplattformarna i loppet för att utveckla en universell kvantdator.

Forskningen, ledd av University of Sydney fysiker Dr. Cornelius Hempel, utforskar en lovande väg för att utveckla effektiva sätt att modellera kemiska bindningar och reaktioner med hjälp av kvantdatorer. Det publiceras idag i det prestigefyllda Fysisk granskning X av American Physical Society.

"Även de största superdatorer kämpar för att modellera exakt allt annat än den mest grundläggande kemin. Kvantdatorer som simulerar naturen, dock, låsa upp ett helt nytt sätt att förstå materia. De kommer att ge oss ett nytt verktyg för att lösa problem inom materialvetenskap, medicin och industrikemi med hjälp av simuleringar. "

Med kvantberäkning fortfarande i sin linda, det är fortfarande oklart exakt vilka problem dessa enheter kommer att vara mest effektiva för att lösa, men de flesta experter är överens om att kvantkemi kommer att bli en av de första "mördarapparna" för denna framväxande teknik.

Kvantkemi är vetenskapen om att förstå de komplicerade bindningarna och reaktionerna av molekyler med hjälp av kvantmekanik. De "rörliga delarna" i allt annat än de mest enkla kemiska processerna ligger utanför kapaciteten hos de största och snabbaste superdatorer.

Genom att modellera och förstå dessa processer med hjälp av kvantdatorer, forskare förväntar sig att låsa upp lägre energibanor för kemiska reaktioner, möjliggör design av nya katalysatorer. Detta kommer att få enorma konsekvenser för industrier, som produktion av gödningsmedel.

Andra möjliga tillämpningar inkluderar utveckling av organiska solceller och bättre batterier genom förbättrade material och användning av nya insikter för att designa personliga läkemedel.

Arbetar med kollegor vid Institute for Quantum Optics and Quantum Information i Innsbruck, Österrike, Dr Hempel använde bara fyra qubits på en 20-qubit enhet för att köra algoritmer för att simulera energibindningarna för molekylärt väte och litiumhydrid.

Dessa relativt enkla molekyler väljs eftersom de är väl förstådda och kan simuleras med klassiska datorer. Detta gör det möjligt för forskare att kontrollera resultaten från de kvantdatorer som utvecklas.

Dr Hempel sa:"Detta är ett viktigt steg i utvecklingen av denna teknik eftersom den gör att vi kan sätta riktmärken, leta efter fel och planera nödvändiga förbättringar. "

Istället för att sikta på den mest exakta eller största simuleringen hittills, Dr Hempels arbete fokuserade på vad som kan gå fel i en lovande kvantklassisk hybridalgoritm som kallas variationskvantum eigensolver eller VQE.

Genom att titta på olika sätt att koda kemiproblemet, forskarna är ute efter sätt att undertrycka fel som uppstår i dagens ofullkomliga kvantdatorer och står i vägen för användbarheten på kort sikt av dessa maskiner.

Felundertryckning är kärnan i den forskning som bedrivs i University of Sydney's Quantum Control Laboratory, ledd av professor Michael Biercuk, som nyligen lanserade Australiens första privata kvantstart, Q-CTRL. Dr Hempel, som gjorde experimenten vid universitetet i Innsbruck, hoppas nu kunna utnyttja Sydneys expertis för att förbättra vad som kan åstadkommas med den här typen av simuleringar.

Pappret, publiceras idag i ledande tidskrift Fysisk granskning X , skrevs tillsammans med Innsbruck professor Rainer Blatt, en pionjär inom kvantberäkning, och tidigare Harvard-professorn Alán Aspuru-Guzik, som sedan har flyttat till University of Toronto.

Professor Blatt, från IQOQI i Innsbruck, sade:"Kvantkemi är ett exempel där fördelarna med en kvantdator mycket snart kommer att bli uppenbara i praktiska tillämpningar."

Chef för University of Sydney Nano Institute:s kvantvetenskapliga område, Dr Ivan Kassal, sade:"Detta arbete är en anmärkningsvärd implementering av ett av de mest lovande tillvägagångssätten för kvantkemi, bevisar sin styrka på en verklig kvantinformationsprocessor. "

Han sa att Dr Hempels beslut att flytta till University of Sydney 2016 var ett utmärkt tillskott till det starka kvantlaget på campus. "Teoretisk kemi och materialvetenskap är styrkor vid detta universitet och de kommer att förstärkas med de senaste teknikerna inom kvantberäkning, " han sa.