20. April 2023 – Forscher der Chalmers University haben bekannt gegeben, dass zum ersten Mal in Schweden ein Quantencomputer für Berechnungen in einem realen Fall in der Chemie mit einer Methode namens Reference-State Error Mitigation (REM) verwendet wurde, die die Forscher sagen, dass es funktioniert, indem es die durch Rauschen verursachten Fehler korrigiert, indem es die Berechnungen sowohl eines Quantencomputers als auch eines herkömmlichen Computers verwendet.

„Quantencomputer könnten theoretisch für Fälle eingesetzt werden, in denen sich Elektronen und Atomkerne auf kompliziertere Weise bewegen. Wenn wir lernen, ihr volles Potenzial auszuschöpfen, sollten wir in der Lage sein, die Grenzen dessen zu erweitern, was zu berechnen und zu verstehen ist“, sagte Martin Rahm, außerordentlicher Professor für Theoretische Chemie am Institut für Chemie und Chemieingenieurwesen, der die geleitet hat lernen.

Innerhalb der Quantenchemie werden die Gesetze der Quantenmechanik genutzt, um zu verstehen, welche chemischen Reaktionen möglich sind, welche Strukturen und Materialien entwickelt werden können und welche Eigenschaften sie haben. Solche Studien werden normalerweise mit Hilfe von Supercomputern durchgeführt, die mit herkömmlichen logischen Schaltungen aufgebaut sind. Es gibt jedoch eine Grenze für die Berechnungen, die herkömmliche Computer handhaben können. Da die Gesetze der Quantenmechanik das Verhalten der Natur auf subatomarer Ebene beschreiben, glauben viele Forscher, dass ein Quantencomputer für molekulare Berechnungen besser gerüstet sein sollte als ein herkömmlicher Computer.

„Die meisten Dinge auf dieser Welt sind von Natur aus chemisch. Beispielsweise bestehen unsere Energieträger, in der Biologie ebenso wie in alten oder neuen Autos, aus Elektronen und Atomkernen, die in Molekülen und Materialien unterschiedlich angeordnet sind. Einige der Probleme, die wir im Bereich der Quantenchemie lösen, sind zu berechnen, welche dieser Anordnungen wahrscheinlicher oder vorteilhafter sind, zusammen mit ihren Eigenschaften“, sagt Martin Rahm.

Bis Quantencomputer das erreichen können, was die Forscher anstreben, ist es noch ein weiter Weg. Dieses Forschungsgebiet ist noch jung und die kleinen Modellrechnungen, die durchgeführt werden, werden durch das Rauschen aus der Umgebung des Quantencomputers erschwert. Doch Martin Rahm und seine Kollegen haben nun eine Methode gefunden, die sie als wichtigen Schritt nach vorn sehen. Die Methode heißt Reference-State Error Mitigation (REM) und funktioniert, indem sie die Fehler korrigiert, die aufgrund von Rauschen auftreten, indem die Berechnungen sowohl eines Quantencomputers als auch eines herkömmlichen Computers verwendet werden.

„Die Studie ist ein Proof-of-Concept, dass unsere Methode die Qualität quantenchemischer Berechnungen verbessern kann. Es ist ein nützliches Werkzeug, das wir verwenden werden, um unsere Berechnungen auf Quantencomputern in Zukunft zu verbessern“, sagte Rahm.

Das Prinzip der Methode besteht darin, zunächst einen Referenzzustand zu betrachten, indem das gleiche Problem sowohl auf einem konventionellen als auch auf einem Quantencomputer beschrieben und gelöst wird. Dieser Referenzzustand stellt eine einfachere Beschreibung eines Moleküls dar als das ursprüngliche Problem, das der Quantencomputer lösen soll. Ein herkömmlicher Computer kann diese einfachere Version des Problems schnell lösen. Durch den Vergleich der Ergebnisse beider Computer kann eine exakte Abschätzung der durch Rauschen verursachten Fehlermenge vorgenommen werden. Der Unterschied zwischen den Lösungen der beiden Computer für das Referenzproblem kann dann verwendet werden, um die Lösung für das ursprüngliche, komplexere Problem zu korrigieren, wenn es auf dem Quantenprozessor ausgeführt wird. Durch die Kombination dieser neuen Methode mit Daten von Chalmers' Quantencomputer Särimner* ist es den Forschern gelungen, die Eigenenergie kleiner Beispielmoleküle wie Wasserstoff und Lithiumhydrid zu berechnen. Äquivalente Berechnungen können auf einem herkömmlichen Computer schneller durchgeführt werden, aber die neue Methode stellt eine wichtige Entwicklung dar und ist die erste Demonstration einer quantenchemischen Berechnung auf einem Quantencomputer in Schweden.

„Wir sehen gute Möglichkeiten, die Methode weiterzuentwickeln, um Berechnungen größerer und komplexerer Moleküle zu ermöglichen, wenn die nächste Generation von Quantencomputern fertig ist“, sagt Martin Rahm.

Die Forschung wurde in enger Zusammenarbeit mit Kollegen am Institut für Mikrotechnologie und Nanowissenschaften durchgeführt. Sie haben die Quantencomputer gebaut, die in der Studie verwendet werden, und halfen bei der Durchführung der empfindlichen Messungen, die für die chemischen Berechnungen benötigt werden.

„Nur durch die Verwendung echter Quantenalgorithmen können wir verstehen, wie unsere Hardware wirklich funktioniert und wie wir sie verbessern können. Chemische Berechnungen sind einer der ersten Bereiche, in denen wir glauben, dass Quantencomputer nützlich sein werden, daher ist unsere Zusammenarbeit mit der Gruppe von Martin Rahm besonders wertvoll“, sagt Jonas Bylander, außerordentlicher Professor für Quantentechnologie am Institut für Mikrotechnologie und Nanowissenschaften.

Lesen Sie den Artikel Referenzzustandsfehlerminderung: Eine Strategie für hochgenaue Quantenberechnungen in der Chemie im Journal of Chemical Theory and Computation.
Der Artikel wurde von Phalgun Lolur, Mårten Skogh, Werner Dobrautz, Christopher Warren, Janka Biznárová, Amr Osman, Giovanna Tancredi, Göran Wendin, Jonas Bylander und Martin Rahm verfasst. Die Forscher sind an der Chalmers University of Technology tätig.

Die Forschung wurde in Zusammenarbeit mit der durchgeführt Wallenberg Zentrum für Quantentechnologie (WACQT) und das EU-Projekt OpensuperQ. OpensuperQ verbindet Universitäten und Unternehmen in 10 europäischen Ländern mit dem Ziel, einen Quantencomputer zu bauen, und seine Erweiterung wird Forschern in Chalmers weitere Mittel für ihre Arbeit mit quantenchemischen Berechnungen zukommen lassen.

*Särimner ist der Name eines Quantenprozessors mit fünf Qubits oder Quantenbits, der von Chalmers im Rahmen des Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT) gebaut wurde. Sein Name ist der nordischen Mythologie entlehnt, in der das Schwein Särimner jeden Tag geschlachtet und gegessen wurde, nur um wieder aufzuerstehen.
Särimner wurde nun durch einen größeren Computer mit 25 Qubits ersetzt und das Ziel für WACQT ist es, einen Quantencomputer mit 100 Qubits zu bauen, der Probleme lösen kann, die weit über die Kapazität der heutigen besten konventionellen Supercomputer hinausgehen.

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• Quelle: https://insidehpc.com/2023/04/swedish-researchers-use-error-mitigation-technique-to-apply-quantum-computing-to-chemistry/