Nytt steg för kemiska beräkningar med kvantdator
Kvantdatorer kan flytta gränsen för beräkningar som dagens superdatorer inte klarar av. Nu har en svensk kvantdator använts inom kemi för första gången.
Stora förhoppningar finns att kvantdatorer kan ge revolutionerande nya möjligheter att simulera kemiska processer. Det skulle kunna få en stor påverkan på allt från utvecklingen av nya läkemedel till nya material.
Nu har forskare på Chalmers tekniska högskola för första gången i Sverige använt en kvantdator för att räkna på ett verkligt problem inom kemi.
− Kvantdatorer skulle i princip kunna hantera fall där elektroner och atomkärnor rör sig på mer komplicerade sätt. Om vi kan utnyttja den potentialen till fullo borde vi kunna flytta gränsen för vad som är möjligt att beräkna och förstå många steg framåt, säger forskaren Martin Rahm vid Chalmers tekniska högskola.
Ökar förståelse av egenskaper i nya material
Inom fältet kvantkemi använder man kvantmekanikens lagar för att förstå vilka kemiska reaktioner som är möjliga, vilka strukturer och material som går att utveckla och vad de har för egenskaper.
Sådana studier sker vanligtvis med hjälp av beräkningar på superdatorer, byggda med konventionella logiska kretsar. Det finns dock en gräns för vilka beräkningar traditionella datorer klarar.
Eftersom kvantmekanikens lagar beskriver naturen på skalor som är mindre än atomer, tror många forskare att en kvantdator borde vara bättre lämpad att räkna på molekyler än en vanlig dator.
− Det mesta är kemi i grund och botten. Till exempel våra energibärare, inom biologi såväl som i gamla och nya bilar, är elektroner och atomkärnor arrangerade på olika sätt i molekyler och material. Problemen vi löser i fältet kvantkemi handlar bland annat om att räkna ut vilka av dessa arrangemang som är mer troliga eller fördelaktiga, samt deras egenskaper, säger Martin Rahm.
Viktigt steg framåt
Det är en bit kvar tills kvantdatorerna kan uppnå det forskarna strävar mot. Forskningsfältet är fortfarande ungt, med förhållandevis små modellberäkningar som kompliceras av brus från kvantdatorns omgivning.
Men forskarna på Chalmers har nu hittat en metod som de ser som ett viktigt steg framåt. Metoden kallas Reference-State Error Mitigation , REM, och går ut på att korrigera för felen som uppstår på grund av brus. Det sker genom att använda beräkningar på både en kvantdator och en konventionell dator.
− Studien är ett test på konceptet att vår metod förbättrar kvaliteten på kvantkemiska beräkningar. Den är ett användbart verktyg som vi kommer använda för att förbättra våra beräkningar på kvantdatorer framöver, säger Martin Rahm.
Ny metod rättar till fel
Principen för metoden är att först undersöka ett så kallat referenstillstånd. Det görs genom att beskriva och lösa samma problem både på en konventionell dator och på en kvantdator.
Detta referenstillstånd motsvarar en mer ungefärlig beskrivning av en molekyl än det ursprungliga problem man vill att kvantdatorn ska lösa, och är sådant att en konventionell dator kan lösa det snabbt.
Genom att även mäta lösningen för referenstillståndet på kvantdatorn får man en precis uppskattning av hur mycket fel som orsakas av brus. Skillnaden mellan de två datorernas lösningar kan sedan användas för att korrigera lösningen till det ursprungliga svårare problemet när det körs på kvantprocessorn.
Beräkning av mindre molekyler
Genom att kombinera den nya metoden med data från Chalmers kvantdator Särimner har forskarna nu lyckats räkna ut den inneboende energin i små exempelmolekyler som vätgas och litiumhydrid. Motsvarande beräkningar kan idag utföras snabbare med en konventionell dator, men den nya metoden representerar en viktig utveckling och är den första demonstrationen av kvantkemiska beräkningar på en kvantdator i Sverige.
− Vi ser goda möjligheter att utveckla metoden vidare för att göra beräkningar på större, mer komplexa molekyler när nästa generation kvantdatorer står redo, säger Martin Rahm.
Kvantdatorn Särimner
Särimner är namnet på en kvantprocessor med fem qubits, eller kvantbitar, byggd på Chalmers. Namnet kommer från den fornnordiska mytologin, där grisen Särimner slaktades och åts upp varje dag, för att sedan återuppstå.
Särimner har nu ersatts av en större dator med 25 qubits, och målet är att bygga en kvantdator med 100 qubits som kan lösa problem långt bortom kapaciteten för dagens bästa konventionella superdatorer.
Läs mer om utvecklingen av kvantdatorer:
Naturens strävan efter symmetri kan ge bättre kvantdatorer
Detektion av mikrovågor på nanonivå kan ge bättre kvantdatorer
Kyld elektronik skapar bättre kvantdatorer
Studie:
Reference-State Error Mitigation: A Strategy for High Accuracy Quantum Computation of Chemistry, Journal of Chemical Theory and Computation.
Kontakt:
Martin Rahm, docent i teoretisk kemi vid institutionen för kemi och kemiteknik, Chalmers tekniska högskola, martin.rahm@chalmers.se
