Forskare från U.S. Naval Research Laboratory (NRL) har publicerat algoritmen Cascaded Variational Quantum Eigensolver (CVQE) i en nyligen genomförd Physical Review Research artikel. Algoritmen förväntas bli ett kraftfullt verktyg för att undersöka de fysiska egenskaperna i elektroniska system.
CVQE-algoritmen är en variant av Variational Quantum Eigensolver (VQE)-algoritmen som bara kräver exekvering av en uppsättning kvantkretsar en gång snarare än vid varje iteration under parameteroptimeringsprocessen, vilket ökar beräkningsgenomströmningen.
"Båda algoritmerna producerar ett kvanttillstånd nära grundtillståndet för ett system, vilket används för att bestämma många av systemets fysikaliska egenskaper", säger John Stenger, Ph.D., en forskningsfysiker för teoretisk kemi. "Beräkningar som tidigare tog månader kan nu utföras i timmar."
CVQE-algoritmen använder en kvantdator för att undersöka de nödvändiga sannolikhetsmassfunktionerna och en klassisk dator för att utföra de återstående beräkningarna, inklusive energiminimering.
"Att hitta minimienergin är beräkningsmässigt svårt eftersom storleken på tillståndsutrymmet växer exponentiellt med systemstorleken", säger Steve Hellberg, Ph.D., en forskningsfysiker i Theory of Advanced Functional Materials Section. "Förutom för mycket små system kan inte ens världens mest kraftfulla superdatorer hitta det exakta marktillståndet."
För att möta denna utmaning använder forskare en kvantdator med ett qubitregister, vars tillståndsutrymme också ökar exponentiellt, i det här fallet med qubits. Genom att representera tillstånden för ett fysiskt system på registrets tillståndsutrymme, kan en kvantdator användas för att simulera tillstånden i systemets exponentiellt stora representationsutrymme.
Data kan sedan extraheras genom kvantmätningar. Eftersom kvantmätningar inte är deterministiska, måste kvantkretsexekveringarna upprepas flera gånger för att uppskatta sannolikhetsfördelningar som beskriver tillstånden, en process som kallas sampling. Varierande kvantalgoritmer, inklusive CVQE-algoritmen, identifierar försökstillstånd genom en uppsättning parametrar som är optimerade för att minimera energin.
"Den viktigaste skillnaden mellan den ursprungliga VQE-metoden och den nya CVQE-metoden är att samplings- och optimeringsprocesserna har frikopplats i den senare så att samplingen kan utföras uteslutande på kvantdatorn och parametrarna bearbetas uteslutande på en klassisk dator." sa Dan Gunlycke, D.Phil., sektionschef för teoretisk kemi, som också leder NRL:s kvantberäkningssatsning.
"Det nya tillvägagångssättet har också andra fördelar. Formen på lösningsutrymmet behöver inte överensstämma med symmetrikraven i qubit-registret, och därför är det mycket lättare att forma lösningsutrymmet och implementera symmetrier i systemet och annat fysiskt. motiverade begränsningar, vilket i slutändan kommer att leda till mer exakta förutsägelser av elektroniska systemegenskaper," fortsatte Gunlycke.
Quantum computing är en del av kvantvetenskapen, som har utsetts till ett kritiskt teknologiområde inom USD(R&E) Technology Vision for an Era of Competition av underförsvarsministern för forskning och teknik Heidi Shyu.
"Att förstå egenskaperna hos kvantmekaniska system är viktigt i utvecklingen av nya material och kemi för marinen och marinkåren," sa Gunlycke. "Korrosion, till exempel, är en allestädes närvarande utmaning som kostar försvarsdepartementet miljarder varje år. CVQE-algoritmen kan användas för att studera de kemiska reaktionerna som orsakar korrosion och ge viktig information till våra befintliga antikorrosionsteam i deras strävan att utveckla bättre beläggningar och tillsatser ."
I decennier har NRL bedrivit grundläggande forskning inom kvantvetenskap, som har potential att ge störande försvarsteknologier för precision, navigering och timing; kvantavkänning; kvantberäkning; och kvantnätverk.
Mer information: Daniel Gunlycke et al, Cascaded Variational quantum eigensolver algorithm, Physical Review Research (2024). DOI:10.1103/PhysRevResearch.6.013238
Journalinformation: Fysisk granskning
Tillhandahålls av Naval Research Laboratory
