&mermi; Fizik 15, 175
Kuantum devreleri, parçacıkları simüle ederken hala geleneksel devrelerden daha iyi performans gösteremiyor.
e Lucero / Google
Kuantum bilgisayarları, parçacıklar veya madde gibi kuantum ilkeleri tarafından yönetilen sistemlerin doğrudan simülasyonlarını vaat eder, çünkü kuantum kubitlerin kendileri kuantum şeylerdir. Son deneyler, dikkatle seçilmiş görevleri gerçekleştirirken bu cihazların gücünü göstermiştir. Ancak yeni bir çalışma, bir grup atomun enerji durumlarını hesaplamak gibi gerçek dünya problemleri için kuantum simülasyonlarının klasik bilgisayarlardan daha doğru olmadığını gösteriyor. [1]. Sonuçlar, kuantum bilgisayarların kimyagerler ve malzeme bilimcileri için yararlı araçlar olmaya ne kadar yakın olduğunu değerlendirmek için bir kıyaslama sağlıyor.
Richard Feynman, kuantum maddenin özelliklerini hesaplamak için kullanılabileceklerini belirterek, 1982’de kuantum bilgisayarları fikrini önerdi. Bugün, bazıları prensipte herhangi bir klasik cihazda kodlanması imkansız olan kuantum durumlarını temsil edebilen birkaç yüz kuantum biti (kübit) ile kuantum işlemciler mevcuttur. Google tarafından geliştirilen 53 kilobaytlık Sycamore işlemci, günümüzün klasik bilgisayarlarında binlerce yıl sürebilen hesaplamaları birkaç günde yapabilme kabiliyetini gösterdi. [2]. Ancak bu “kuantum avantajı” yalnızca bu cihazların gücünde rol oynayan belirli hesaplama görevleri için elde edilir. Kuantum bilgisayarlar, molekülleri ve malzemeleri inceleyen araştırmacıların gerçekten çözmek istediği türden günlük zorluklarla ne kadar iyi başa çıkıyor?
California Teknoloji Enstitüsü’nden Garnet Chan ve meslektaşları, Sycamore’a dayalı Weber adlı 53 kilobitlik bir Google işlemcisini kullanarak bir molekül ve maddenin simülasyonlarını çalıştırarak bu soruyu yanıtlamak için yola çıktılar. Chan, “Bu sistemlerin ne kadar karmaşık olduğu ve klasik algoritmaların ne kadar iyi olduğu göz önüne alındığında, kimyasal olarak yeni bir şey öğrenmeyi beklemiyorduk” diyor. “Amaç, Sycamore cihazlarının fiziksel olarak uygun bir başarı ölçüsüyle fiziksel olarak ilgili olan bir devre sınıfı için ne kadar iyi performans gösterdiğini anlamaktı.”
Ekip, kuantum devresi için uygunluklarını göz önünde bulundurmadan, şu anda önemli olan iki problemi seçti. İlki, nitrojenaz enziminin katalitik çekirdeğinde bulunan 8 demir (Fe) ve kükürt (S) atomundan oluşan bir grubun enerji durumlarının hesaplanmasını içerir. Bu enzim, nitrojen fiksasyonu adı verilen önemli bir biyolojik sürecin ilk adımı olarak nitrojen moleküllerindeki güçlü bağları koparır. Bu işlemin kimyasını anlamak, kimya endüstrisi için sentetik nitrojen fiksasyon katalizörlerinin geliştirilmesinde faydalı olabilir.
İkinci olarak, ekip, kristal malzeme α-rutenyum triklorürdeki ferromanyetlerin kolektif davranışını çıkarmaya çalıştı ( -RuCl3), düşük sıcaklıklarda spin sıvısı adı verilen tuhaf bir kuantum fazını benimsediği düşünülür. [3]. Bu tür durumların incelenmesi, malzemelerdeki kuantum fenomenlerini keşfetmeye yönelik daha büyük projenin bir parçasıdır.
İki sistemin temel elektronik durumları ve düşük enerjili uyarımları, atomların elektron spinlerinin birbirleriyle nasıl etkileştiği ile belirlenir. Bu dönüşler, tek kübitler halinde kodlanabilir ve bunların etkileşimleri, iki sistemin yapılarını yansıtan devrelerdeki kübitlerin birleştirilmesiyle simüle edilebilir.
Doğru kuantum simülasyonlarının önündeki ana engellerden biri gürültüdür – hem kuantum mantık işlemlerini gerçekleştiren “kapıları” değiştirirken hem de çıkış durumlarını okurken rastgele hatalar. Bu hatalar, gürültü baskın olmadan önce hesaplamanın gerçekleştirebileceği kapı işlemlerinin sayısını biriktirir ve sınırlar. Araştırmacılar, 300’den fazla kapının simülasyonlarının gürültünün gölgesinde kaldığını buldular. Ancak sistem ne kadar karmaşıksa, o kadar çok kapıya ihtiyaç duyulur. Örneğin Fe-S grubu, döngüler arasında uzun menzilli etkileşimler içerir; Doğru bir şekilde temsil edilmek için, bu tür etkileşimler birçok kapı gerektirir.
Bu zorluklar nedeniyle, Weber çipindeki simülasyonlar biraz sınırlı kalmıştır. Örneğin, simülasyonlar Fe-S grubunun enerji spektrumu ve ısı kapasitesi hakkında tahminler sağladı. -RuCl3 Oldukça iyi – ancak yalnızca simüle edilen sistemler çok büyük değilse. için -RuCl3 Ekip, kristal kafesin yalnızca çok küçük 6 atomlu bir parçası için anlamlı sonuçlar elde edebildi; Boyutu yalnızca 10 atoma çıkarırlarsa, gürültü çıktıyı bastırdı. Ve geçit işlemlerinin sınırlamaları, Weber’in kuantum kaynaklarının yalnızca yaklaşık beşte birinin hesaplama için kullanılabileceği anlamına gelir. Ancak Chan ve meslektaşları, belirli Weber devre mimarileri için daha uygun model sistem simülasyonlarına geçtiklerinde bu kullanımı kaynakların yarısı kadar artırabilirler.
Chan, gürültüyü azaltmanın veya hataları düzeltmenin daha iyi yolları bulununcaya kadar kuantum devrelerinin böyle sorunları çözmede daha iyi olduğunu görmenin zor olduğunu söylüyor. (Şimdiye kadar geliştirilen çizelgeler, kuantum hatasının tam olarak düzeltilmesine izin vermemektedir.)
Kuantum hesaplamanın kullanımında uzman olan Toronto Üniversitesi’nden Alán Aspuru-Guzik, “Bu bulgular son teknoloji ürünü ve gelecekte cihaz performansı açısından üstesinden gelinmesi gereken zorlukları gösteriyor” diyor. kimya ve malzemelerde. Ancak, bu yeni çalışmanın kanıtladığı gibi, 2000’lerdeki en eski kuantum bilgisayarlardan bu yana yetenekler istikrarlı bir şekilde arttı. Massachusetts’teki Tufts Üniversitesi’nde kuantum simülasyon uzmanı olan Peter Love, sonuçlar konusunda iyimser. “Bu bulgular aynı zamanda heyecan verici ve korkutucu” diyor. “2005’teki tahminlerimizle karşılaştırıldığında, bu oldukça şaşırtıcı, ama aynı zamanda hala ne kadar işimiz olduğunu da gösteriyor.”
– Philip Paul
Philip Ball, Londra’da serbest çalışan bir bilim yazarıdır. Onun son kitabı modern mitler (Chicago Press Üniversitesi, 2021).
Referanslar
- RN Tazhigulov et al.Bir Sycamore kuantum işlemcisinde zorlu birbirine bağlı moleküllerin ve malzemelerin modellerinin simülasyonu. PRX Kuantum 3040318 (2022).
- F. Arot et al.Programlanabilir bir süper iletken işlemci kullanarak kuantum üstünlüğü. öfkeli doğa 574505 (2019).
- H.Li et al.Yakın Kitaev kuantum spin sıvısındaki dev fonon anomalileri –” nat. yaygın. 123513 (2021).
Konu alanları
“Pop kültürünün ninjası. Sosyal medya fanatiği. Tipik problem çözücü. Kahve pratisyeni. Çok aşık olur. Seyahat tutkunu.”
More Stories
IFE Erişilebilirlik Çözümleri’nin Thales serisi prestijli Kristal Kabin Ödülünü kazandı
Özel büyülü temelleri ortaya çıkarın: Temizleme, Fırtınalar ve Hazineler
Razer’ın Basilisk V3’ü