Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı, laboratuvardaki araştırmacıların Quantinum H1-1 kuantum bilgisayarı sadece mevcut kuantum sistemleri üzerinde bilimsel bilgi işlem için en iyi uygulamaları göstermekle kalmadı, aynı zamanda laboratuvarın söylediği ilginç bir bilimsel sonuç üretti.

Proje, DOE'nin Temel Enerji Bilimleri Ofisi tarafından finanse edildi. Erişim H1-1, Quantinuum tarafından oluşturulmuş kurumsal kullanıma hazır bir kuantum bilgisayar (2021'de Honeywell ve Cambridge Quantum tarafından oluşturulmuştur), Kuantum Bilişim Kullanıcı Programı DOE Office of Science kullanıcı tesisi olan Oak Ridge Leadership Computing Facility'de.

Ekip, tek bir ışık fotonunun bir molekül tarafından soğurulmasının iki uyarılmış durum ürettiği tekli fisyonu modelleyerek, lineer H'nin doğrulandığını doğruladı.₄ Molekülün enerji seviyeleri, fisyon işleminin gerekliliklerine uygundur. Doğrusal H₄ molekül, basitçe, doğrusal bir şekilde düzenlenmiş dört hidrojen atomundan oluşan bir moleküldür. Bir molekülün enerji seviyeleri, singlet fisyon gibi bir fenomende yer alan her bir kuantum halinin enerjileri ve bunların birbirleriyle nasıl ilişkili olduğu ve karşılaştırıldığıdır. Lineer molekülün enerji seviyelerinin singlet fisyona elverişli olduğu gerçeği, daha verimli güneş panelleri geliştirmeye yönelik genel çabada faydalı bir bilgi olabilir.

Daniel, "Bu, singlet fisyonun ardındaki başlıca motive edici faktörlerden biridir - geleneksel güneş pillerinin teorik maksimum verimi yaklaşık yüzde 33'tür, ancak singlet fisyon sergileyen malzemelerin bu sınırı aşabileceği ve daha verimli olabileceği varsayılmıştır" dedi Daniel. ORNL'nin Kuantum Hesaplamalı Bilim grubunda bir araştırma bilimcisi ve projenin baş araştırmacısı olan Claudino. "Dezavantajı, belirli bir malzemenin tekli fisyon sergileyip sergilemediğini temel olarak anlamak çok zor. Spesifik bir enerji gereksinimi var ve bunu karşılayacak malzemeleri bulmak zor.”

Yönetilebilir bir hesaplama maliyeti için yüksek doğruluğu ile ORNL ekibinin bir kuantum bilgisayarı kullanma yaklaşımı, klasik bilgisayarlar için kullanılan tekniklerde yaygın olarak bulunan yaklaşımları atlarken tekli fisyon özellikleri gösteren molekülleri tanımlamak için etkili bir simülasyon yöntemi sağlar. Çalışmalarının sonuçları şunlardı: yayınlanan Fiziksel Kimya Mektupları Dergisi.

Singlet fisyon çok durumlu bir fenomendir, bu nedenle ORNL ekibinin, doğru enerji sayılarını hesaplamak için tüm sürecin kuantum durumlarını eşit bir temelde tanımlayabilecek bir hesaplama yöntemine ihtiyacı vardı. Döndüler PDSPeeters-Devreese-Soldatov yaklaşımına dayanan ve Pacific Northwest Ulusal Laboratuvarı'nda geliştirilen bir kuantum çözücüdür.

PDS, yoğunluk fonksiyonel teorisinden çok daha yüksek doğruluk ve birleştirilmiş küme teorisinden daha az hesaplama gereksinimi dahil olmak üzere, bir malzemenin enerjik özelliklerini belirlemek için klasik stratejilere göre bazı avantajlara sahiptir. Ve kuantum kimyasındaki simülasyonların doğruluğunu ve verimliliğini artırmak için geliştirildiğinden, PDS kuantum bilgisayarların potansiyel avantajlarından yararlanmak için çok uygundur.

Claudino, "Tekli fisyonun enerjileri, çift elektronik uyarımlar etrafında dönüyor - iki elektron aynı anda daha yüksek enerji seviyelerine çıkıyor, bu da geleneksel bilgisayarlar için algoritmalarla tespit edilmesi oldukça zor" dedi. "Ancak bir kuantum bilgisayarının çalışma şekli, bu tekli fisyon fenomenine yol açan kuantum korelasyonlarını doğal olarak ele alabilir. İşte o zaman, 'evet, doğası gereği kuantum olan bir şeyi tedavi etmek için bir kuantum bilgisayar kullanmalıyız' olduğunun farkına vardık. Bu iyi bilinir. Ama sanırım bu özel sorun için bir uygulaması olduğunu ilk fark eden bizdik.”

Kuantum hesaplama - OLCF'nin exascale sınıfı gibi klasik süper bilgisayarlara kıyasla hala oluşum aşamasında olan bir teknoloji Sınır - hesaplamaları gerçekleştirmek için kuantum bitlerini veya kübitleri kullanır. Klasik bilgisayarlarda kullanılan ikili bitlerin aksine, kübitler, 1 ve 0'ları aynı anda karışık bir süperpozisyonda kullanmak için 1'ler ve 0'ların ötesine geçerek kuantum mekaniğine dayalı olanlar gibi belirli denklemler için işlem gücünü katlanarak artırır. Ancak, kuantum bilgisayar sistemleri hala yüksek hata oranlarına eğilimlidir ve ekibin güvenilir sonuçlar elde etmek için bu zorluğu telafi etmesi gerekiyordu.

Claudino, "Hatalardan kaçınma söz konusu olduğunda güvenli tarafta olmak için daha fazla ölçüme sahip olmak daha iyidir, ancak o zaman bu algoritmayı zamanında çalıştıramazdık" dedi. "İşte o zaman, hesaplamalarımızın boyutunu hesaplama süresi açısından makul bir boyuta getirmek için ölçüm optimizasyonunu bulduk. Önlenemeyecek kadar büyük bir şeyden kuantum donanımına uygun bir şeye geçtik.”

ORNL ekip üyeleri, projelerinin hesaplama iş yükünü azaltmak için üç bağımsız strateji uyguladılar ve bu da çözüme ulaşma sürelerini aylardan birkaç haftaya indirdi. İlk olarak, kübit sivriltme adı verilen bir teknikte, sorunu ifade etmek için gereken kübit sayısını azaltarak sorunun boyutunu küçülttüler. İkincisi, her gruptan her bir terimi ölçmek yerine terim gruplarını bir kez ölçerek sorunu çözmek için daha az ölçüm aldılar (bu süreç kübit-bilge değişmelilik olarak adlandırılır). Üçüncüsü, her devreyi ayrı ayrı uygulamak yerine, dört devreyi paralel olarak çalıştırmanın bir yolunu buldular ve H20-1'deki 1 kübitin tamamını kullanmalarına izin verdiler. Görsel kaynak: Adam Malin/ORNL.

ORNL ekip üyeleri, sorunun hesaplama iş yükünü azaltmak için üç bağımsız strateji uyguladılar ve bu da çözüme ulaşma sürelerini aylardan birkaç haftaya indirdi. İlk olarak, kübit sivriltme adı verilen bir teknikte, sorunu ifade etmek için gereken kübit sayısını azaltarak sorunun boyutunu küçülttüler. İkincisi, her gruptan her bir terimi tek tek ölçmek yerine terim gruplarını bir kez ölçerek sorunu çözmek için daha az ölçüm aldılar. Üçüncüsü, her devreyi ayrı ayrı uygulamak yerine, dört devreyi paralel olarak çalıştırmanın bir yolunu buldular ve H20-1'deki 1 kübitin tamamını kullanmalarına izin verdiler.

"Bütün bunları bir kuantum bilgisayara atmak istesek, bunun işe yaramayacağını fark ettik çünkü bu, mevcut teknoloji için hâlâ çok fazla. Buradaki fikir, kuantum bilgisayardan yararlanmanın bir yolunu tasavvur etmek istemenizdir, ancak yalnızca geleneksel bilgisayarlardan daha iyi performans gösterebileceklerini bildiğimiz belirli görevler için," dedi Claudino. "Yine de, o zaman bile, yalnızca belirli bir boyuta çıkmamıza veya yalnızca çok uzun süren görevleri gerçekleştirmemize izin veren mevcut teknoloji ile sınırlısınız. Kuantum bilgisayarlara dönerken en büyük darboğaz budur.”

ORNL ekibinin projesi, günlük yaşamı etkileyebilecek bilimsel sorunların üstesinden gelmek için mevcut kuantum bilgisayarların uygulanabilirliğini gösterdi. Claudino tekli fisyonla tekrar mücadele etmeyi öngörmese de ekibi, bu projede gösterilen kuantum hesaplama teknikleri kullanılarak çözülebilecek "madde ve ışığın etkileşimi" gibi başka sorunları da düşünüyor.

“Kullandığımız yaklaşımlar daha önce yayınlanmış olsa da geniş çapta benimsenmekten çok uzak olduğunu söyleyebilirim. Claudino, "Bu tür yaklaşımların kullanılması için güçlü bir gerekçe oluşturduğumuzu düşünüyorum" dedi. "Araştırmacılar, bu tekniklerden yararlanmayarak kuantum kaynaklarını boşa harcıyor olabilecekleri ve simülasyonlarında potansiyel olarak hataları artırabilecekleri konusunda dikkatli olmalılar."

İlgili Yayın:
Claudino, D., et. al., "Bir Kuantum Bilgisayarda Singlet Fisyon Modelleme" Fiziksel Kimya Mektupları Dergisi (2023); https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c01106

kaynak: Coury Turczyn, ORNL

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
• PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• PlatoESG. Otomotiv / EV'ler, karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
• Blok Ofsetleri. Çevre Dengeleme Sahipliğini Modernleştirme. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://insidehpc.com/2023/07/oak-ridge-scientists-use-quantum-computer-for-solar-cell-research/