วิทยาศาสตร์ธรรมชาติและการจำลองควอนตัม

วิทยาศาสตร์ธรรมชาติและการจำลองควอนตัม RPA Richard Feynman จินตนาการว่าอุปกรณ์ควอนตัมเป็นกระบวนทัศน์การคำนวณแบบใหม่สำหรับการจำลองธรรมชาติในระดับพื้นฐาน (ควอนตัม) วันนี้เรามาประกาศ Qiskit Natureแพลตฟอร์มที่ไม่เหมือนใครเพื่อเชื่อมช่องว่างระหว่างวิทยาศาสตร์ธรรมชาติและการจำลองควอนตัม โมดูลาร์ของ Qiskit Nature จะช่วยให้นักวิจัยในสาขาต่างๆ ของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ (รวมถึงฟิสิกส์ เคมี วัสดุศาสตร์ และชีววิทยา) สร้างแบบจำลองและแก้ปัญหาเฉพาะโดเมนโดยใช้การจำลองควอนตัมตลอดจนการทดลองโดยตรงบนคอมพิวเตอร์ควอนตัมผ่านระบบ IBM Quantum Cloud . นอกจากนี้ อินเทอร์เฟซผู้ใช้จะช่วยให้นักวิจัยสามารถโต้ตอบกับ Qiskit Nature ได้ในระดับต่างๆ ตั้งแต่การพัฒนาซอฟต์แวร์ (อนุญาตให้เขียนโปรแกรมฟังก์ชันใหม่ได้โดยตรง) ไปจนถึงแอปพลิเคชันที่ขับเคลื่อนด้วยโซลูชัน (ไม่จำเป็นต้องมีคอมพิวเตอร์ควอนตัมเฉพาะหรือความรู้เกี่ยวกับฮาร์ดแวร์ควอนตัม) ระบบจัดการภายใน Qiskit ธรรมชาติQiskit Nature ได้รับการออกแบบมาสำหรับผู้ใช้ทั่วไป ตั้งแต่ผู้เชี่ยวชาญด้านคอมพิวเตอร์ควอนตัมไปจนถึงนักวิจัยผู้เชี่ยวชาญโดเมนที่นำไปใช้มากขึ้น เพื่อตรวจสอบและจำลองปัญหาในวิทยาศาสตร์ธรรมชาติโดยใช้อัลกอริธึมควอนตัม โมดูลาร์ของ Qiskit Nature และองค์ประกอบที่หลากหลายของโมดูลต่างๆ ช่วยให้มั่นใจได้ถึงความสามารถที่ครอบคลุมในการแก้ไขปัญหาที่ซับซ้อนในด้านฟิสิกส์ เคมี และชีววิทยา ในรุ่นต่อๆ ไป เราจะใช้ประโยชน์จากศักยภาพนี้อย่างเต็มที่โดยแนะนำแอปพลิเคชันเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับวิทยาศาสตร์ธรรมชาติในขั้นแรกสู่ระบบโมดูลาร์ Qiskit Nature เรากำลังจัดโครงสร้างQiskit Chemistry ใหม่เพื่อให้เข้ากับเฟรมเวิร์กที่กว้างขึ้นนี้ แม้ว่าฟังก์ชันของวันนี้จะคล้ายกัน

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