Cientistas entregam algoritmo quântico para desenvolver novos materiais e química

Crédito:Pesquisa de revisão física (2024). DOI:10.1103/PhysRevResearch.6.013238

Cientistas do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA (NRL) publicaram o algoritmo Cascaded Variational Quantum Eigensolver (CVQE) em uma recente Physical Review Research artigo. Espera-se que o algoritmo se torne uma ferramenta poderosa para investigar as propriedades físicas em sistemas eletrônicos.

O algoritmo CVQE é uma variante do algoritmo Variational Quantum Eigensolver (VQE) que requer apenas a execução de um conjunto de circuitos quânticos uma vez, em vez de a cada iteração durante o processo de otimização de parâmetros, aumentando assim o rendimento computacional.

"Ambos os algoritmos produzem um estado quântico próximo ao estado fundamental de um sistema, que é usado para determinar muitas das propriedades físicas do sistema", disse John Stenger, Ph.D., físico pesquisador da Seção de Química Teórica. "Cálculos que antes demoravam meses agora podem ser realizados em horas."

O algoritmo CVQE usa um computador quântico para sondar as funções de massa de probabilidade necessárias e um computador clássico para realizar os cálculos restantes, incluindo a minimização de energia.

"Encontrar a energia mínima é computacionalmente difícil, pois o tamanho do espaço de estados cresce exponencialmente com o tamanho do sistema", disse Steve Hellberg, Ph.D., físico pesquisador da Seção de Teoria de Materiais Funcionais Avançados. "Exceto para sistemas muito pequenos, mesmo os supercomputadores mais poderosos do mundo são incapazes de encontrar o estado fundamental exato."

Para enfrentar esse desafio, os cientistas usam um computador quântico com registro qubit, cujo espaço de estados também aumenta exponencialmente, neste caso com qubits. Ao representar os estados de um sistema físico no espaço de estados do registrador, um computador quântico pode ser usado para simular os estados no espaço de representação exponencialmente grande do sistema.

Crédito:Pesquisa de revisão física (2024). DOI:10.1103/PhysRevResearch.6.013238

Os dados podem posteriormente ser extraídos por medições quânticas. Como as medições quânticas não são determinísticas, as execuções do circuito quântico devem ser repetidas várias vezes para estimar as distribuições de probabilidade que descrevem os estados, um processo conhecido como amostragem. Algoritmos quânticos variacionais, incluindo o algoritmo CVQE, identificam estados de teste por um conjunto de parâmetros que são otimizados para minimizar a energia.

“A principal diferença entre o método VQE original e o novo método CVQE é que os processos de amostragem e otimização foram dissociados neste último, de modo que a amostragem possa ser realizada exclusivamente no computador quântico e os parâmetros processados exclusivamente em um computador clássico”, disse Dan Gunlycke, D.Phil., Chefe da Seção de Química Teórica, que também lidera o esforço de computação quântica do NRL.

"A nova abordagem também tem outros benefícios. A forma do espaço de solução não precisa estar de acordo com os requisitos de simetria do registrador qubit e, portanto, é muito mais fácil moldar o espaço de solução e implementar simetrias do sistema e outros fisicamente restrições motivadas, o que acabará por levar a previsões mais precisas das propriedades do sistema eletrônico", continuou Gunlycke.

A computação quântica é um componente da ciência quântica, que foi designada como uma Área de Tecnologia Crítica dentro da Visão Tecnológica do USD(R&E) para uma Era de Competição pela Subsecretária de Defesa para Pesquisa e Engenharia, Heidi Shyu.

“Compreender as propriedades dos sistemas mecânicos quânticos é essencial no desenvolvimento de novos materiais e química para a Marinha e o Corpo de Fuzileiros Navais”, disse Gunlycke. "A corrosão, por exemplo, é um desafio onipresente que custa bilhões ao Departamento de Defesa todos os anos. O algoritmo CVQE pode ser usado para estudar as reações químicas que causam corrosão e fornecer informações críticas às nossas equipes anticorrosivas existentes em sua busca para desenvolver melhores revestimentos e aditivos ."

Durante décadas, o NRL tem conduzido pesquisas fundamentais em ciência quântica, que tem o potencial de produzir tecnologias de defesa disruptivas para precisão, navegação e tempo; detecção quântica; Computação quântica; e redes quânticas.

Mais informações: Daniel Gunlycke et al, Algoritmo de autosolução quântica variacional em cascata, Physical Review Research (2024). DOI:10.1103/PhysRevResearch.6.013238
Informações do diário: Pesquisa de revisão física

Fornecido pelo Laboratório de Pesquisa Naval

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