Chemikai yra pirmieji kvantinio skaičiavimo pranašumų eilėje

Danielius Zenderis

Šį mėnesį IBM ir Google teigė, kad per ateinančius kelerius metus ketina komercializuoti kvantinius kompiuterius (Google nurodė penkis), parduodant prieigą prie egzotiškų mašinų naujo tipo debesijos paslaugoje. Konkurentai prognozuoja naują erą, kai kompiuteriai bus nepaprastai galingesni, o tai bus naudinga, įskaitant veiksmingesnį maršrutą logistikos ir žemėlapių sudarymo įmonėms, naujas mašininio mokymosi formas, geresnes produktų rekomendacijas ir patobulintus diagnostinius testus.

Tačiau prieš tai pirmasis kvantinis kompiuteris, pradėjęs atsiskaityti už naudingą darbą realiame pasaulyje, greičiausiai tai padarys padėdamas chemikams, bandantiems patobulinti baterijas ar elektroniką. Iki šiol molekulių ir reakcijų modeliavimas yra ankstyvųjų, mažų kvantinių kompiuterių panaudojimo atvejis, kurį detaliausiai aprašė mokslininkai, kuriantys naujo tipo algoritmus, reikalingus tokioms mašinoms.

Kvantiniai kompiuteriai, kuriuose duomenys pateikiami naudojant kvantinius mechaninius efektus, matomus mažose skalėse, turėtų galėti atlikti skaičiavimus, neįmanomus jokiam įprastiniam kompiuteriui. Dėl naujausių techninės įrangos, kuri gali būti naudojama jų kūrimui, pažanga paskatino daug investicijų iš įmonių, įskaitant „Microsoft“, „Intel“, „Google“ ir IBM (žr. 10 Breakthrough Technologies 2017: Practical Quantum Computers).

Atsižvelgiant į tai, kas teoriškai įrodyta, chemija yra į priekį, sako Scottas Crowderis, IBM padalinio, kuris šiandien parduoda techninę įrangą, įskaitant superkompiuterius, vyriausiasis technologijų pareigūnas, ir tikisi ateityje papildyti savo gaminių asortimentą debesyje priglobtais kvantiniais kompiuteriais. Keli metai. Mes labiau pasitikime mažesnėmis chemijos sistemomis.

Mokslininkai jau seniai naudojo molekulių ir cheminių reakcijų modeliavimą, kad padėtų tyrinėti tokius dalykus kaip naujos medžiagos, vaistai ar pramoniniai katalizatoriai. Ši taktika gali sumažinti laiką, praleistą fiziniams eksperimentams ir moksliniams aklavietėms, ir tai sudaro didelę pasaulio superkompiuterių darbo krūvio dalį.

Tačiau atlygis yra ribotas, nes net ir patys galingiausi superkompiuteriai negali tobulai atkurti visų sudėtingų kvantinių atomų ir elektronų elgesio net santykinai mažose molekulėse. Alanas Aspuru-Guzikas , Harvardo chemijos profesorius. Jis nekantriai laukia, kol dienos modeliavimas kvantiniais kompiuteriais gali paspartinti jo tyrimų grupės pastangas surasti naujas šviesą skleidžiančias molekules, pavyzdžiui, ekranams ir baterijas, tinkamas tinklo masto energijos kaupimui.

Šiuo metu mes turime nuolat kalibruoti eksperimentiniais duomenimis, sako Aspuru-Guzik, pradininkas molekulių modeliavimo kvantiniuose kompiuteriuose metodus. Dalis to išnyks, jei turėsime kvantinį kompiuterį.

Kvantinių efektų, formuojančių molekulines struktūras ir reakcijas, modeliavimas yra natūrali kvantinių kompiuterių problema, nes jų galia gaunama koduojant duomenis į tas pačias sudėtingas kvantines būsenas. Kvantinius kompiuterius sudarantys komponentai, žinomi kaip kubitai, gali naudoti kvantinius mechaninius procesus, kad būtų atlikti skaičiavimo spartieji klavišai, neįmanomi įprastoms mašinoms. (Kanados įmonė D-Wave jau siūlo lustą su kvantinėmis savybėmis pramonės ir akademiniams tyrėjams, tačiau neaišku, ar įrenginys siūlo naudą, kurios tikimasi iš kvantinių kompiuterių.)

„Microsoft“ lažinasi dėl mažiau brandžios kvantinės aparatinės įrangos nei IBM ir „Google“ (žr. „Microsoft“ kvantinę mechaniką), tačiau ji turi vieną iš pažangiausių pastangų kurti praktinius kvantinius algoritmus. Chemija ir medžiagų mokslas yra vienos iš pagrindinių jos dėmesio krypčių. Grupės mokslininkai neseniai bandė parodyti, kaip hibridinės sistemos, kuriose įprastas kompiuteris ir mažas kvantinis kompiuteris veikia kartu, gali imituoti chemiją.

Jis turi daug pažadų tiriant molekules, sako Krysta Svore , kuris vadovauja „Microsoft“ grupei, kuri dirba su kvantiniais algoritmais. Ji sako, kad ieškoti naujų, praktiškų superlaidžių medžiagų yra vienas iš galimų hibridinio modelio pritaikymo būdų, kuriam neturėtų prireikti labai didelių kvantinių kompiuterių. Įprasti kompiuteriai stengiasi atkartoti kvantinį elektronų elgesį, kuris yra superlaidumo pagrindas.

Kai tai ateis (arba jei), ankstyva chemijos sėkmė turėtų būti gera kvantinių kompiuterių ateičiai. Jų potencialas tirti molekules yra tik vienas iš jų nuojautos, kurią kompiuterių mokslininkai vadina optimizavimo problemomis, kurios apima geriausio įmanomo sprendimo iš daugelio alternatyvų nustatymą, apraiška. Tai gali reikšti stabiliausią atomo elektronų konfigūraciją arba efektyviausią pristatymo kelią aplink miestą.

Šiandien chemijos modeliavimas gali būti praktinės optimizavimo problemos tipas, kurį tyrėjai geriausiai supranta, kaip pozuoti kvantiniam kompiuteriui. Chrisas Monroe Merilendo universiteto profesorius ir kvantinio skaičiavimo startuolio IonQ įkūrėjas. Tačiau daroma pažanga siekiant suprasti kitas kvantinio optimizavimo programas, pvz., mašininį mokymąsi, ir turėtų būti daug daugiau.

Svore iš Microsoft mano, kad mašininio mokymosi programos gali atsirasti gana greitai. Tuo tarpu šifravimo sulaužymas, nors ir yra tikra grėsmė, yra vienas iš labiausiai nutolusių technologijos pritaikymų, nes naudojant algoritmus reikėtų itin didelio kvantinio procesoriaus.

Monroe lygina dabartinę kvantinio skaičiavimo akimirką su ankstyviausiomis tranzistoriaus dienomis, kurios pirmą kartą buvo pasisekusios klausos aparatų srityje, prieš pereinant prie didesnių dalykų.

Jie neįsivaizdavo, kad galite gauti 50 milijardų į lustą ir atlikti visus kitus dalykus, sako jis. Mes tarsi klausos aparato etape, kai suprantame keletą labai specifinių pritaikymų ir turime toliau tyrinėti.

paslėpti