ขอแนะนำโมดูล Qiskit Chemistry ใหม่และกรอบการไล่ระดับสีสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมระดับถัดไป

ขอแนะนำโมดูล Qiskit Chemistry ใหม่และกรอบการไล่ระดับสีสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมระดับถัดไป RPA วันนี้ เรารู้สึกตื่นเต้นที่จะประกาศการยกเครื่องโมดูล Qiskit Chemistry ใหม่ทั้งหมด รวมถึงเฟรมเวิร์ก Qiskit Gradients ใหม่ ซึ่งมีไว้สำหรับนักพัฒนาแอปพลิเคชันควอนตัมและผู้เชี่ยวชาญด้านโดเมนที่มีความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับการคำนวณควอนตัม การปรับปรุงเหล่านี้แสดงถึงขั้นตอนสำคัญสู่การคำนวณควอนตัมแบบไม่มีแรงเสียดทาน ซึ่งนักพัฒนาสามารถเขียนแอปพลิเคชันที่ได้รับประโยชน์จากคอมพิวเตอร์ควอนตัมโดยไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับความซับซ้อนของฮาร์ดแวร์ ระบบจัดการภายใน ทีมงานได้ออกแบบโมดูล Qiskit Chemistry ใหม่ให้เป็นแบบแยกส่วนและขยายได้ ในขณะที่มีแอปพลิเคชันระดับสูงที่ทำให้การเขียนโปรแกรมง่ายขึ้นสำหรับทุกคนที่สนใจในการคำนวณควอนตัม โมดูลนี้ประกอบด้วยอัลกอริธึมสำหรับการคำนวณโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์และการสั่นสะเทือนของโมเลกุล รวมทั้งอัลกอริธึมพื้นฐานเพื่อใช้เป็นส่วนประกอบสำคัญสำหรับการใช้งานในระดับที่สูงขึ้น เมื่อเร็วๆ นี้ เราได้ร่วมมือกับนักวิทยาศาสตร์ของ ExxonMobil เพื่อคำนวณสิ่งที่สังเกตได้ทางอุณหพลศาสตร์สำหรับโมเลกุลไฮโดรเจนบนตัวประมวลผลควอนตัม ibmq_valencia โดยใช้ Qiskit“การพัฒนาโมดูล Qiskit Chemistry ใหม่นั้นทั้งน่าตื่นเต้นและสำคัญมาก จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ที่มีการสัมผัสฮาร์ดแวร์ควอนตัมจำกัดสามารถเริ่มจำลองปัญหาทางเคมีที่น่าสนใจและเกี่ยวข้องได้อย่างรวดเร็ว โมดูลใหม่นี้อาจมีความสำคัญเช่นกัน จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์คิด ‘ในเชิงควอนตัม’ เมื่อแก้ไขปัญหาที่ท้าทายที่สุดของเรา” Laurent White หัวหน้าส่วนแผนกฟิสิกส์เชิงคำนวณ บริษัท ExxonMobil Research and Engineering กล่าวอัลกอริธึมควอนตัมระยะใกล้จำนวนมาก ซึ่งรวมถึงอัลกอริธึมที่มีอยู่ในโมดูล Qiskit Chemistry เป็นแบบผันแปร กล่าวคือ

ฉันได้จำลองโมเลกุลด้วยคอมพิวเตอร์ควอนตัม ตอนนี้อะไร?

ฉันได้จำลองโมเลกุลด้วยคอมพิวเตอร์ควอนตัม ตอนนี้อะไร? RPA ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยในทีม IBM Quantum ได้จำลองสถานะทางอิเล็กทรอนิกส์ของโมเลกุลลิเธียมไฮไดรด์และเบริลเลียมไฮไดรด์บนคอมพิวเตอร์ควอนตัมสำเร็จ วิศวกรควอนตัมคิดว่าวันหนึ่ง คอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจเอาชนะคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกในการคำนวณแบบนี้ แต่นักเคมีจะทำอะไรกับข้อมูลนี้จริง ๆ ? ระบบจัดการภายใน คอมพิวเตอร์คลาสสิกสะดุดเมื่อต้องจำลองพฤติกรรมของโมเลกุลอย่างแม่นยำ เนื่องจากทรัพยากรที่ใช้ในการจำลองการจำลองเหล่านี้จะเพิ่มขึ้นอย่างมากตามขนาดของโมเลกุล แต่อัลกอริธึมควอนตัมบางตัวดูเหมือนจะมีศักยภาพในอนาคตสำหรับการเร่งความเร็วสำหรับปัญหาทางเคมีเหล่านี้ การเพิ่มความเร็วนั้นยังรออยู่ไม่ไกลนัก แต่คุณสามารถคำนวณปัญหาของเล่นได้แล้วโดยใช้อัลกอริธึมที่ออกแบบมาสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมในปัจจุบัน ซึ่งก็คือควอนตัมไอเกนโซลเวอร์ (VQE) ที่แปรผัน นักเคมีบางคนกำลังนึกภาพโลกที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นเพียงส่วนหนึ่งของขั้นตอนการทำงานประจำวันของพวกเขา“คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นเครื่องมือที่ไม่เหมือนใครสำหรับการสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ ซึ่งแตกต่างไปตามวิธีการคำนวณ” เจมี่ การ์เซีย ผู้จัดการอาวุโสด้านแอปพลิเคชันควอนตัม อัลกอริธึมและทฤษฎีของ IBM Research กล่าวทำไมเราถึงสนใจเรื่องนี้?สมมุติว่านักเคมีต้องการสังเคราะห์พอลิเมอร์ชนิดใหม่ที่มีความแข็งแรงมาก วันนี้พวกเขาจะเริ่มต้นด้วยการค้นหาวรรณกรรมเพื่อค้นหาว่าสารเคมีชนิดใดที่ทำให้พอลิเมอร์ที่แข็งแรงในอดีต จากนั้นพวกเขาจะค้นหาว่าปฏิกิริยาใดที่อาจก่อให้เกิดวัสดุที่แข็งแรงกว่า ดูว่ามีใครบ้างที่ลองใช้ปฏิกิริยาเหล่านี้ และสภาพแวดล้อม อุณหภูมิ และตัวแปรอื่นๆ ในการตั้งค่าห้องปฏิบัติการของพวกเขาเป็นอย่างไร โดยใช้สัญชาตญาณ พวกเขารวมการค้นหาวรรณกรรมและความคิดสร้างสรรค์เล็กๆ น้อยๆ เพื่อทำปฏิกิริยาเชิงทดลอง และดูว่าผลลัพธ์ที่ได้คือพอลิเมอร์ที่แข็งแกร่งที่พวกเขาหวังไว้หรือไม่ หากพวกเขาทำไม่สำเร็จ พวกเขาจะลองอย่างอื่น หากพวกเขาทำสำเร็จ พวกเขาจะนำสมุดบันทึกสำหรับห้องปฏิบัติการของพวกเขาไปหานักเคมีเชิงคำนวณ และพูดว่า เกิดอะไรขึ้นระหว่างสารเคมีเหล่านี้เพื่อผลิตโพลีเมอร์ที่แข็งแรงนี้ และฉันจะทำให้มันแข็งแกร่งขึ้นได้อย่างไรแต่จอกศักดิ์สิทธิ์สำหรับนักเคมีน่าจะเป็นถ้าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถพลิกสคริปต์ได้ การ์เซียอธิบาย เจาะลึกลงไปในวิทยาศาสตร์ ปฏิกิริยาเคมีจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อได้รับการสนับสนุนอย่างกระฉับกระเฉง หมายความว่าพลังงานของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายจะต่ำกว่าพลังงานของสารเคมีที่คุณผสมเข้าด้วยกัน และอุปสรรคด้านพลังงานที่จะไปถึงผลิตภัณฑ์นั้นต่ำพอที่จะเอาชนะ

เรื่องราวของอิเล็กตรอนที่ชนกัน: การเพิ่มความแม่นยำของการจำลองทางเคมีบนคอมพิวเตอร์ควอนตัม

เรื่องราวของอิเล็กตรอนที่ชนกัน: การเพิ่มความแม่นยำของการจำลองทางเคมีบนคอมพิวเตอร์ควอนตัม RPA โดยธรรมชาติแล้ว คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีความเหมาะสมอย่างยิ่งในการช่วยให้นักวิทยาศาสตร์บรรลุการค้นพบครั้งสำคัญในวิชาเคมี โดยการจำลองวัตถุเชิงกลเชิงควอนตัมอย่างโมเลกุลได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไป และเนื่องจากความสามารถของคอมพิวเตอร์ควอนตัมและความเข้าใจของเราเกี่ยวกับวิธีการใช้งานให้ดีที่สุดนั้นดีขึ้น ในไม่ช้าเราจะมีศักยภาพในการทำนายคุณสมบัติของโมเลกุลด้วยความแม่นยำเทียบเท่ากับการทดลองในห้องปฏิบัติการจริง ระบบจัดการภายใน การอธิบายโมเลกุลอย่างแม่นยำนั้นต้องการการจับความสมดุลที่ละเอียดอ่อนของเอฟเฟกต์การแข่งขันจำนวนมาก ซึ่งต้องใช้คิวบิตและการดำเนินการควอนตัมจำนวนมาก เพื่อช่วยให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเข้าถึงข้อกำหนดด้านความแม่นยำที่จำเป็นสำหรับการค้นพบสารเคมี หรือเพื่อ “เพิ่มน้ำหนักให้มากกว่าเดิม” เพื่อใช้อุปมาเกี่ยวกับการชกมวย ทีมสหวิทยาการของนักวิจัย IBM ร่วมกับพันธมิตรจาก Daimler AG และ Virginia Tech ได้ใช้ความช่วยเหลือของคอมพิวเตอร์คลาสสิก เพื่อลดจำนวน qubits ที่จำเป็นสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อจำลองโมเลกุลอย่างรุนแรง เราแสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติของโมเลกุลกระบวนทัศน์ เช่น ไฮโดรเจนฟลูออไรด์ (HF) สามารถคำนวณได้ด้วยระดับความแม่นยำที่สูงขึ้นในคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดเล็กในปัจจุบัน เมื่อเทียบกับการคำนวณที่ทำโดยใช้ฟังก์ชันชุดพื้นฐานเดียวกันโดยที่วิธีการจำลองไม่ได้จำลองอิเล็คตรอน-อิเล็คตรอน cuspอย่างชัดเจนเราชดเชยข้อ จำกัด ของทรัพยากรโดยการรวมวิธีการจำลองควอนตัมเข้ากับการเปลี่ยนแปลงวิธีการแสดงพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของโมเลกุลซึ่งเป็นฟังก์ชันที่เรียกว่าแฮมิลตันในการคำนวณ รายละเอียดทางเทคนิคของงานของเราได้อธิบายไว้ใน “ การจำลองเชิงควอนตัมของโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ด้วย Hamiltonian ที่สัมพันธ์กัน: ปรับปรุงความแม่นยำด้วยรอยเท้าที่เล็กกว่าบนคอมพิวเตอร์ควอนตัม ”* ตีพิมพ์ในเดือนตุลาคมในวารสารของ Royal Society of Chemistry, Physical Chemistry Chemical Physicsและเลือก เป็น “ประเด็นร้อน” ในปี

จำลองวงจรควอนตัมขนาดใหญ่โดยมีสิ่งกีดขวางต่ำโดยใช้โปรแกรมจำลองสถานะผลิตภัณฑ์เมทริกซ์

จำลองวงจรควอนตัมขนาดใหญ่โดยมีสิ่งกีดขวางต่ำโดยใช้โปรแกรมจำลองสถานะผลิตภัณฑ์เมทริกซ์ RPA เป็นการยากที่จะตอบว่า “คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถจำลองคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกได้ขนาดไหน” เพราะคำตอบก็คือ มันก็ขึ้นอยู่กับ แต่ใน Qiskit เรามีเครื่องจำลองที่สามารถจัดการกับวงจรควอนตัมบางประเภทด้วย qubits หลายร้อยรายการได้อย่างง่ายดาย ระบบจัดการภายใน เครื่องจำลองวงจรควอนตัมเป็นโปรแกรมซอฟต์แวร์ที่ใช้ในการเลียนแบบพฤติกรรมของคอมพิวเตอร์ควอนตัม พวกเขาช่วยเราในการวิจัยและพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมและเพื่อให้เข้าใจอัลกอริธึมควอนตัมมากขึ้น สิ่งสำคัญในการใช้เครื่องจำลองคือการเลือกเครื่องที่เหมาะสมที่สุดกับวงจรที่คุณหวังว่าจะจำลอง หากคุณกำลังมุ่งเป้าไปที่วงจรที่มี qubits จำนวนมาก แต่มีความพัวพันค่อนข้างน้อย Matrix Product State Simulator อาจเป็นทางออกที่ดีที่สุดของคุณแนวทางที่พบบ่อยที่สุดในการนำโปรแกรมจำลองไปใช้เก็บ statevector เป็นอาร์เรย์ของจำนวนเชิงซ้อน2^nโดยที่nคือจำนวน qubits ทุกประตูควอนตัมที่ใช้กับ qubits จะเปลี่ยนค่าในอาร์เรย์นี้ การแสดงนี้อธิบายสถานะควอนตัมได้อย่างแม่นยำ แต่ชัดเจนว่าหน่วยความจำที่โปรแกรมจำลองนี้ต้องการจะปรับขนาดแบบทวีคูณด้วยจำนวน qubits วงจรที่เราสามารถแสดงด้วยวิธีนี้ถูกจำกัดไว้ที่ประมาณ 30 qubits (ขึ้นอยู่กับหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์)แต่เราไม่ต้องการค่า 2^n เสมอไปเพื่อเป็นตัวแทนของวงจร โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อวงจรมีความพัวพันค่อนข้างต่ำ เครื่องจำลองที่ใช้วิธีการสถานะผลิตภัณฑ์เมทริกซ์ (MPS) อิงตามแนวคิดที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง เมื่อใช้วิธีนี้ บางครั้งอาจแสดงวงจรหลายร้อย qubits สำหรับเครื่องจำลอง MPS ข้อจำกัดของวงจรนั้นเกิดจากระดับการพัวพัน ไม่ใช่จากจำนวน qubitsวิธีการนี้แสดงทุกๆ qubit โดยเมตริกซ์เดียวหรือเมทริกซ์ 3 มิติของจำนวนเชิงซ้อน

การใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อจัดการกับการจำลองเคมีที่ซับซ้อนด้วยการฝังควอนตัม

การใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อจัดการกับการจำลองเคมีที่ซับซ้อนด้วยการฝังควอนตัม RPA การให้อาหารแก่โลกเป็นสิ่งที่สูงขึ้นเรื่อยๆ สำหรับอุตสาหกรรมเกษตรกรรมทั่วโลก ประชากรมนุษย์เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และผลผลิตทางการเกษตรทั่วโลกไม่เป็นไปตามที่คาดหวัง สารละลายหนึ่ง — อย่างน้อยก็บางส่วน — เกี่ยวข้องกับไนโตรเจน ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญในปุ๋ยที่เราต้องการเพื่อให้พืชผลเติบโต ทุกวันนี้ การผลิตไนโตรเจนที่ใส่ลงไปในปุ๋ยนั้นมีค่าใช้จ่ายสูง ใช้เวลานาน และอาจเป็นอันตรายได้ เนื่องจากต้องใช้อุณหภูมิและแรงดันที่สูงมาก การปรับปรุงกระบวนการดังกล่าวสามารถเพิ่มผลผลิตทางการเกษตรของโลกได้อย่างมาก ระบบจัดการภายใน การจำลองปฏิกิริยาโมเลกุลไนโตรเจนที่แม่นยำอาจทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถพัฒนาวิธีการที่ดีขึ้นได้ แต่คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกไม่สามารถจำลองปฏิกิริยาเหล่านั้นได้อย่างแม่นยำเพียงพอ ในทางทฤษฎีแล้ว คอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่ได้ถูกผูกมัดด้วยข้อจำกัดในการสร้างแบบจำลองเช่นเดียวกับระบบแบบคลาสสิก แต่ข้อจำกัดด้านฮาร์ดแวร์ในปัจจุบันทำให้ไม่สามารถจำลองกระบวนการทางเคมีที่ซับซ้อนได้ด้วยตัวเอง ตอนนี้ด้วยบทความในวารสารฟิสิกส์เคมีนักวิจัยจาก IBM Quantum เมืองซูริกได้สาธิตอัลกอริธึมที่มีศักยภาพในการจำลองปฏิกิริยาโมเลกุลไนโตรเจนและปฏิกิริยาที่มีความซับซ้อนมากยิ่งขึ้นด้วยความแม่นยำที่ดีกว่าเทคนิคที่สร้างขึ้นการนำการคำนวณไปใช้ในการสร้างแบบจำลองการคำนวณนักเคมีเชิงคำนวณใช้การคำนวณโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์เพื่อกำหนดการกระจายความน่าจะเป็น (กล่าวคือ ” โครงสร้าง “) ของอิเล็กตรอนในระบบโมเลกุล ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีทั้งหมด รวมถึงกระบวนการเร่งปฏิกิริยาที่ใส่ไนโตรเจนในปุ๋ยเชิงพาณิชย์ของเรา เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างอะตอมมีวิธีการคำนวณหลายวิธีในการคำนวณคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของสถานะพื้นดินของระบบโมเลกุล ตัวอย่างเช่น การจำลองเชิงตัวเลขกลายเป็น “ราคาแพง” อย่างห้ามไม่ได้สำหรับคอมพิวเตอร์คลาสสิก เมื่อมีการปรับขนาดเพื่อจำลองระบบที่ซับซ้อนมากขึ้นในรายละเอียดที่มากขึ้น นี่เป็นเรื่องจริงโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับระบบโมเลกุลที่ “มีความสัมพันธ์สูง” ซึ่งอิเล็กตรอนทั้งหมดได้รับอิทธิพลอย่างมากจากกันและกัน อันที่จริง การคำนวณโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์จัดอยู่ในกลุ่มงานที่ต้องใช้การคำนวณมากที่สุด ซึ่งคุณสามารถมอบให้กับคอมพิวเตอร์ได้ และใช้วงจรการคำนวณส่วนใหญ่ในอุปกรณ์ซูเปอร์คอมพิวติ้งทั่วโลก เป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้การวิจัยการจำลองทางเคมีประกอบด้วยเวลาประมาณ 28%ของชั่วโมงโหนดทั้งหมดที่มอบให้กับโครงการใช้งานที่มีลำดับความสำคัญที่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Fugaku ในญี่ปุ่นชื่อซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่เร็วที่สุดในโลกในปี 2564ทีมนักวิจัยซึ่งนำโดย Ivano Tavernelli