Исследовательская группа доктора Хян-Таг Лима из Центра квантовых технологий Корейского института науки и технологий (KIST) разработала алгоритм квантовых вычислений, который позволяет оценивать расстояния межатомных связей и энергии основного состояния с химической точностью, используя меньше ресурсов, чем традиционные методы. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances.

Квантовые компьютеры имеют существенный недостаток — быстрое увеличение ошибок по мере роста вычислительного пространства. Чтобы преодолеть эту проблему, был разработан метод Variational Quantum Eigensolver (VQE), который объединяет преимущества классических и квантовых компьютеров. VQE — это гибридный алгоритм, который позволяет использовать квантовый процессор (QPU) и классический процессор (CPU) для выполнения более быстрых вычислений. Однако, текущие реализации VQE на основе кубитов сталкиваются с проблемами ошибок, которые затрудняют масштабирование.

Источник: DALL-E

Команда доктора Лима вместо кубитов использовала более многомерную форму квантовой информации, называемую кудитом. Кудит — это квантовая единица, которая может иметь несколько состояний, включая 0, 1 и 2, в дополнение к 0 и 1, которые может представлять традиционный кубит. Это позволяет проводить более сложные квантовые вычисления. В этом исследовании кудит был реализован орбитальным угловым моментом состояния одного фотона, а размерное расширение стало возможным путем регулировки фазы фотона через голографические изображения. Это позволило проводить высокоразмерные вычисления без сложных квантовых вентилей, уменьшая ошибки.

Квантовый компьютер помогает понять поведение молекулы водорода (H2) с помощью устройства, которое симулирует её поведение и оценивает энергию основного состояния. Это достигается с помощью алгоритма VQE и световых модуляторов, которые управляют состояниями кубитов.
Источник: Корейский институт науки и технологий

Используя этот метод, группа провела квантово-химические расчёты с помощью VQE, чтобы оценить длину связи между молекулами водорода в четырёх измерениях и молекулами гидрида лития (LiH) в 16 измерениях. Это первый случай реализации 16-мерных расчётов в фотонных системах. В отличие от обычных VQE, которые требуют методов смягчения ошибок для достижения химической точности, VQE команды KIST достиг химической точности без каких-либо методов смягчения ошибок.

«Разрабатывая технологию квантовых вычислений на основе кудита, которая может достигать химической точности с меньшими ресурсами, мы ожидаем, что она будет использоваться в различных практических областях, таких как разработка новых лекарств и улучшение производительности аккумуляторов», — сказал доктор Хян-Таг Лим из KIST. Эта технология также может быть полезна при решении сложных задач, таких как моделирование климата.