Ķīmiķi ir pirmie, lai iegūtu kvantu skaitļošanas priekšrocības

Daniels Zenders

Šomēnes gan IBM, gan Google paziņoja, ka plāno nākamajos gados komercializēt kvantu datorus (Google norādīja piecus), pārdodot piekļuvi eksotiskām iekārtām jauna veida mākoņpakalpojumā. Konkurenti prognozē jaunu ēru, kurā datori ir ārkārtīgi jaudīgāki, un tas ietver loģistikas un kartēšanas uzņēmumu efektīvāku maršrutēšanu, jaunus mašīnmācības veidus, labākus produktu ieteikumus un uzlabotus diagnostikas testus.

Taču pirms tam pirmais kvantu dators, kas sāks maksāt ar noderīgu darbu reālajā pasaulē, visticamāk, to darīs, palīdzot ķīmiķiem, piemēram, uzlabot akumulatorus vai elektroniku. Līdz šim molekulu un reakciju simulēšana ir agrīnu, mazu kvantu datoru izmantošanas gadījums, ko visdetalizētāk ieskicēti pētnieki, izstrādājot jauna veida algoritmus, kas nepieciešami šādām mašīnām.

Kvantu datoriem, kas attēlo datus, izmantojot kvantu mehāniskos efektus, kas redzami nelielos mērogos, jāspēj veikt aprēķinus, kas nav iespējami nevienam parastajam datoram. Nesenie sasniegumi aparatūras jomā, ko varētu izmantot, lai tos izveidotu, ir izraisījuši lielu ieguldījumu no uzņēmumiem, tostarp Microsoft, Intel, Google un IBM (skatiet 10 Breakthrough Technologies 2017: Practical Quantum Computers).

No teorētiski pierādītā viedokļa ķīmija ir priekšā, saka Skots Kroders, IBM nodaļas galvenais tehnoloģiju speciālists, kas šodien pārdod aparatūru, tostarp superdatorus, un cer, ka nākamajā produktu klāstā tiks iekļauti mākoņa mitinātie kvantu datori. daži gadi. Mums ir lielāka pārliecība par mazākām ķīmijas sistēmām.

Pētnieki jau sen ir izmantojuši molekulu un ķīmisko reakciju simulācijas, lai palīdzētu pētīt tādas lietas kā jauni materiāli, zāles vai rūpnieciskie katalizatori. Šī taktika var samazināt laiku, kas pavadīts fiziskiem eksperimentiem un zinātniskiem strupceļiem, un tā veido ievērojamu daļu no pasaules superdatoru darba slodzes.

Tomēr peļņa ir ierobežota, jo pat visspēcīgākie superdatori nevar perfekti atjaunot visu sarežģīto atomu un elektronu kvantu uzvedību pat salīdzinoši mazās molekulās. Alans Aspuru-Guziks , Hārvardas ķīmijas profesors. Viņš ar nepacietību gaida, kad dienas simulācijas kvantu datoros var paātrināt viņa pētnieku grupas centienus atrast jaunas gaismu izstarojošas molekulas displejiem, piemēram, un baterijas, kas piemērotas tīkla mēroga enerģijas uzglabāšanai.

Šobrīd mums ir pastāvīgi jākalibrē ar eksperimentāliem datiem, saka Aspuru-Guzik, kurš bija pionieris metožu modelēšanai molekulām kvantu datoros. Daļa no tā pazudīs, ja mums būs kvantu dators.

Kvantu efektu modelēšana, kas veido molekulārās struktūras un reakcijas, ir dabiska kvantu datoru problēma, jo to jauda nāk no datu kodēšanas tajos pašos izaicinošajos kvantu stāvokļos. Komponenti, kas veido kvantu datorus, kas pazīstami kā kubiti, var izmantot kvantu mehāniskos procesus, lai izmantotu skaitļošanas saīsnes, kas nav iespējamas parastajai mašīnai. (Kanādas uzņēmums D-Wave rūpnieciskajiem un akadēmiskajiem pētniekiem jau piedāvā mikroshēmu ar kvantu īpašībām, taču nav skaidrs, vai ierīce piedāvā kvantu datoru priekšrocības.)

Microsoft liek derības uz mazāk nobriedušu kvantu aparatūras veidu nekā IBM un Google (skatiet Microsoft Quantum Mechanics), taču tai ir viens no vismodernākajiem centieniem izstrādāt praktiskus kvantu algoritmus. Ķīmija un materiālzinātne ir viena no galvenajām tās darbības jomām. Grupas pētnieki nesen ir mēģinājuši parādīt, kā hibrīdsistēmas, kurās parasts dators un mazs kvantu dators darbojas kopā, varētu simulēt ķīmiju.

Tam ir liels solījums molekulu pētīšanai, saka Krista Svore , kurš vada Microsoft grupu, kas strādā pie kvantu algoritmiem. Viņa saka, ka jaunu, praktisku supravadošu materiālu meklēšana ir viens no iespējamiem hibrīda modeļa pielietojumiem, kam nevajadzētu būt nepieciešami ļoti lieliem kvantu datoriem. Parastie datori cīnās, lai atkārtotu elektronu kvantu uzvedību, kas ir supravadītspējas pamatā.

Kad tas notiks vai ja tas notiks, agrīniem panākumiem ķīmijā vajadzētu liecināt par labu kvantu datoru nākotnei. Viņu potenciāls pētīt molekulas ir tikai viena izpausme viņu nojautai, ko datorzinātnieki sauc par optimizācijas problēmām, kas ietver labākā iespējamā risinājuma noteikšanu no daudzām alternatīvām. Tas var nozīmēt visstabilāko atoma elektronu konfigurāciju vai visefektīvāko piegādes ceļu pa pilsētu.

Mūsdienās ķīmijas simulācijas var būt praktiskas optimizācijas problēmas veids, ko pētnieki vislabāk saprot, kā pozēt kvantu datoram, saka Kriss Monro , Merilendas Universitātes profesors un kvantu skaitļošanas startup IonQ līdzdibinātājs. Taču progress tiek panākts, lai izprastu citus kvantu optimizācijas lietojumus, piemēram, mašīnmācīšanos, un to vajadzētu būt daudz vairāk.

Svore no Microsoft domā, ka mašīnmācības lietojumprogrammas varētu parādīties salīdzinoši ātri. Tikmēr šifrēšanas pārtraukšana, lai gan tas ir patiess drauds, ir viens no attālākajiem tehnoloģijas lietojumiem, jo ​​iesaistītajiem algoritmiem būtu nepieciešams ārkārtīgi liels kvantu procesors.

Monro pašreizējo brīdi kvantu skaitļošanā salīdzina ar tranzistora agrākajām dienām, kas guva pirmos panākumus dzirdes aparātu jomā, pirms sāka strādāt ar lielākām lietām.

Viņi nebija iedomājušies, ka jūs varētu ielikt 50 miljardus mikroshēmā un darīt visas šīs citas lietas, viņš saka. Mēs esam dzirdes aparātu stadijā, kur mēs saprotam dažus ļoti specifiskus lietojumus un ir jāturpina izpētīt.

paslēpties