Исследователи из IBM улучшили моделирование молекул, которые можно было бы использовать для создания новых материалов, без необходимости в дополнительных кубитах. Ученые успешно смоделировали некоторые молекулы с более высокой степенью точности.

Исследователям удалось эффективно упаковать больше информации в математические функции, которые использовались для проведения моделирования. «Мы демонстрируем, что свойства парадигматических молекул, таких как фтористый водород (HF), могут быть рассчитаны с более высокой степенью точности на сегодняшних небольших квантовых компьютерах», — заявили они.

Производитель автомобилей Daimler, давний партнер IBM в области квантовых исследований, проявил большой интерес к результатам этого исследования. С 2015 года Daimler работает над модернизацией литий-ионных аккумуляторов до литий-серных — нетоксичного и легкодоступного материала, который увеличит емкость и скорость зарядки электромобилей. Для проектирования батареи на основе новых материалов необходимо точное понимание того, какие соединения должны использоваться. Процесс включает точное описание всех характеристик молекул, составляющих соединение, а также частиц, из которых состоят эти молекулы, для моделирования того, как соединение будет реагировать в различных средах. Классические методы, которые существуют сегодня, не могут визуализировать эти симуляции с точностью, необходимой для разработок Daimler.

Но квантовые компьютеры могут быстро выполнить эту задачу. Кубиты и их способность одновременно кодировать различную информацию позволяют квантовым алгоритмам выполнять несколько вычислений одновременно. Однако масштабирование кубитов является сложным процессом. Большинство квантовых компьютеров, в том числе IBM, работают с менее чем 100 кубитами, чего недостаточно для моделирования сложных молекул.

Некоторые свойства этих молекул обычно представляются в компьютерных экспериментах с помощью математической функции, называемой гамильтонианом. «В настоящее время мы не можем представить достаточно орбиталей в нашем моделировании на квантовом оборудовании, чтобы коррелировать электроны, обнаруженные в сложных молекулах в реальном мире», — заявила команда IBM.

Вместо того чтобы ждать появления более крупного квантового компьютера, способного выполнять тяжелые вычисления, исследователи решили посмотреть, что они могут сделать с технологией в ее нынешнем виде. Чтобы компенсировать ограничения ресурсов, команда создала так называемый «транскоррелированный» гамильтониан, содержащий дополнительную информацию о поведении электронов в конкретной молекуле. Таким образом, исследователи повысили точность моделирования без потребности в дополнительных кубитах.

Этот метод является новым шагом на пути к точному расчету свойств материалов на квантовом компьютере, несмотря на ограниченные ресурсы, доступные на сегодняшний день. «Чем больше орбиталей вы сможете смоделировать, тем ближе вы сможете подойти к воспроизведению результатов реального эксперимента», — сказали ученые.

Осенью 2020 года IBM представила обновленную дорожную карту развития своих квантовых компьютеров. Компания собирается в 2023 году создать квантовый компьютер с 1121-кубитовым процессором.

Долгосрочная цель IBM — построить квантовую систему на миллион кубитов. Компания рассматривает отметку в 1000 кубитов как переломный момент для преодоления препятствий, ограничивающих коммерциализацию квантовых систем.