Fotoniset kuditit haastavat tekoälyn

Äskettäin julkistettu kemian Nobel-palkinto myönnettiin työstä, joka käyttää tekoälyä ennustamaan proteiinien rakennetta, mikä mahdollistaa uusien lääkkeiden ja uusien materiaaleja löytämisen.

Aikakaudella, jolloin tekoäly ja data ohjaavat tieteellistä vallankumousta, kvanttilaskentateknologia on nousemassa toiseksi muuttajaksi uusien lääkkeiden ja materiaalien kehityksessä.

Tohtori Hyang-Tag Limin tutkimusryhmä Korean tiede- ja teknologiainstituutista (KIST) on ottanut käyttöön kvanttilaskenta-algoritmin, joka voi arvioida atomien välisiä sidosetäisyyksiä ja perustilan energioita kemiallisella tarkkuudella käyttämällä vähemmän resursseja kuin perinteiset menetelmät, ja on onnistunut suorittamaan tarkkoja laskelmia ilman ylimääräisten kvanttivirheiden lieventämistekniikoiden tarvetta.

Asian ratkaisemiseksi on syntynyt Variational Quantum Eigensolver (VQE) -menetelmä, joka yhdistää klassisten ja kvanttitietokoneiden edut. Globaalit tutkimusryhmät, mukaan lukien IBM ja Google, tutkivat sitä useissa kvanttijärjestelmissä, mukaan lukien suprajohtavat ja loukkuioni järjestelmät.

Kubittipohjaista VQE:tä toteutetaan kuitenkin tällä hetkellä vain 2 kubitin fotonijärjestelmissä ja 12 kubitin suprajohtavissa järjestelmissä, ja sitä haastavat virheongelmat, jotka vaikeuttavat skaalausta, kun tarvitaan enemmän kubitteja ja monimutkaisempia laskelmia.

Kubittien sijasta ryhmä käytti korkeamman ulottuvuuden kvantti-informaation muotoa eli kudittia. Kuditit ovat kvanttiyksikkö, jolla voi olla useita tiloja, mukaan lukien 0, 1 ja 2, mikä on eduksi monimutkaisessa kvanttilaskennassa.

Tässä tutkimuksessa kuditit toteutettiin yksittäisen fotonin orbitaalisen kulmamomenttitilan avulla, ja ulottuvuuden laajennus oli mahdollista säätämällä fotonin vaihetta holografisten kuvien avulla. Tämä mahdollisti korkeadimensionaaliset laskelmat ilman monimutkaisiakvanttiportteja, mikä vähentää virheitä.

Ryhmä käytti menetelmää kvanttikemiallisten laskelmien suorittamiseen VQE:llä arvioidakseen sidoksen pituutta vetymolekyylien välillä neljässä ulottuvuudessa ja litiumhydridimolekyylien (LiH) välillä 16 ulottuvuudessa. Fotonijärjestelmissä onkin näin ensimmäistä kertaa ajettu 16-ulotteiset laskelmat.

Kun tavanomaiset IBM:n, Googlen ja muiden VQE-laitteet edellyttävät virheiden lieventämistekniikoita kemiallisen tarkkuuden saavuttamiseksi, KIST-tiimin VQE saavutti kemiallisen tarkkuuden ilman virheiden lieventämistekniikoita.

Tutkimus osoittaa, kuinka suuri tarkkuus voidaan saavuttaa pienemmillä resursseilla, mikä osoittaa potentiaalin teollisuudelle, jolle molekyyliominaisuudet ovat tärkeitä. Sen odotetaan myös olevan hyödyllinen monimutkaisten ongelmien, kuten ilmastomallinnuksen, ratkaisemisessa.

"Varmistamalla kudittipohjaisen kvanttilaskentatekniikan, joka voi saavuttaa kemiallisen tarkkuuden pienemmillä resursseilla, odotamme sitä käytettävän useilla käytännön aloilla, kuten uusien lääkkeiden kehittämisessä ja akun suorituskyvyn parantamisessa", sanoi tohtori Hyang-Tag.

Aiheesta aiemmin:

Kuditit antavat välähdyksen kvanttitulevaisuudesta

Kaksi täysin lomittunutta kudittia

Enemmän kuin kubitti: Kvanttilaskentaa kutriteilla