Utilizzando tutte le capacità del computer quantistico Quantinuum H1-1, i ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia non solo hanno dimostrato le migliori pratiche per il calcolo scientifico sull’attuale sistemi quantistici ma ha anche prodotto un intrigante risultato scientifico.
I membri del team ORNL hanno applicato tre strategie indipendenti per ridurre il carico di lavoro computazionale del loro progetto, riducendo il tempo necessario per la soluzione da mesi a poche settimane. In primo luogo, con una tecnica chiamata qubit tapering, hanno ridotto il numero di qubit necessari per esprimere il problema, riducendo la dimensione del problema stesso. In secondo luogo, hanno preso meno misurazioni per risolvere il problema misurando gruppi di termini una volta invece di misurare ogni singolo termine da ogni gruppo (un processo chiamato commutatività qubit). In terzo luogo, invece di implementare ciascun circuito individualmente, hanno trovato un modo per eseguire quattro circuiti in parallelo, consentendo loro di utilizzare tutti i 20 qubit in H1-1. Credito illustrazione: Adam Malin/ORNL.
Utilizzando un computer quantistico per modellare la fissione singoletto, in cui l’assorbimento di un singolo fotone di luce da una molecola produce due stati eccitati: il team ha confermato che l’H4 i livelli energetici della molecola corrispondono ai requisiti del processo di fissione.
Il lineare H4 molecola è, semplicemente, una molecola composta da quattro atomi di idrogeno disposti in modo lineare. I livelli energetici di una molecola sono le energie di ogni stato quantico coinvolto in un fenomeno, come la fissione di singoletto, e il modo in cui si relazionano e si confrontano tra loro.
Il fatto che i livelli energetici della molecola lineare favoriscano la fissione di singoletto potrebbe rivelarsi una conoscenza utile nello sforzo complessivo di sviluppare pannelli solari più efficienti.
All’interno della camera o del computer quantistico. Credito immagine: Quantinuum
“Questo è uno dei principali fattori motivanti alla base della fissione di singoletto: le celle solari convenzionali hanno un’efficienza massima teorica di circa il 33%, ma è stato postulato che i materiali che mostrano la fissione di singoletto possono superare tale limite e possono essere più efficienti”, ha affermato Daniel Claudino, ricercatore del gruppo Quantum Computational Science dell’ORNL e ricercatore principale del progetto.
“Il rovescio della medaglia è che capire fondamentalmente se un certo materiale mostra fissione singoletto è molto difficile. C’è un fabbisogno energetico specifico ed è difficile trovare materiali che lo soddisfino”.
Con la sua elevata precisione per un costo computazionale gestibile, l’approccio del team ORNL all’utilizzo di un computer quantistico fornisce un metodo di simulazione efficace per identificare molecole che dimostrano proprietà di fissione singoletto aggirando le approssimazioni che si trovano comunemente nelle tecniche utilizzate per i computer classici.
I risultati del suo lavoro sono stati pubblicato in Il giornale delle lettere di chimica fisica.
La fissione singoletto è un fenomeno multistato, quindi il team ORNL aveva bisogno di un metodo computazionale che potesse descrivere tutti gli stati quantistici del processo su un piano di parità per calcolare numeri energetici accurati.
Si sono rivolti a PDSche è un risolutore quantistico basato sull’approccio Peeters-Devreese-Soldatov e sviluppato presso il Pacific Northwest National Laboratory.
La PDS presenta alcuni vantaggi rispetto alle strategie classiche per determinare le proprietà energetiche di un materiale, inclusa una precisione molto maggiore rispetto alla teoria del funzionale della densità e minori richieste computazionali rispetto alla teoria dei cluster accoppiati.
Inoltre, poiché è stato sviluppato per migliorare l’accuratezza e l’efficienza delle simulazioni nella chimica quantistica, PDS è adatto a sfruttare i potenziali vantaggi dei computer quantistici.
“L’energia della fissione singoletto ruota attorno a doppie eccitazioni elettroniche: due elettroni si spostano simultaneamente a livelli di energia più elevati, il che è abbastanza difficile da definire con algoritmi per computer convenzionali”, ha detto Claudino.
“Ma il modo in cui funziona un computer quantistico, può naturalmente trattare le correlazioni quantistiche che danno origine a questo fenomeno di fissione singoletto. È stato allora che ci siamo resi conto che “sì, dovremmo usare un computer quantistico per trattare qualcosa che è intrinsecamente quantistico”. Questo è ben noto. Ma penso che siamo stati i primi a capire che aveva l’applicazione per questo problema specifico.
Il progetto è stato finanziato dall’Office of Basic Energy Sciences del DOE. Accesso al H1-1, un computer quantistico pronto per l’impresa costruito da Quantinuum (precedentemente Honeywell), è stato fornito dal Programma utente di Quantum Computing presso l’Oak Ridge Leadership Computing Facility, una struttura per gli utenti del DOE Office of Science.
Calcolo quantistico – una tecnologia ancora nelle sue fasi formative rispetto ai supercomputer classici come la classe exascale dell’OLCF Frontiera — utilizza bit quantistici, o qubit, per eseguire calcoli.
A differenza dei bit binari utilizzati nei computer classici, i qubit vanno oltre 1 e 0 per utilizzare anche 1 e 0 contemporaneamente in una sovrapposizione mista, aumentando esponenzialmente la sua potenza di elaborazione per determinate equazioni, come quelle basate sulla meccanica quantistica.
Tuttavia, i sistemi di computer quantistici sono ancora soggetti a tassi di errore elevati e il team ha dovuto compensare questa sfida per ottenere risultati affidabili.
“È meglio avere molte più misurazioni per essere al sicuro quando si tratta di aggirare gli errori, ma poi non saremmo in grado di eseguire questo algoritmo in modo tempestivo”, ha detto Claudino.
“È stato allora che abbiamo ideato l’ottimizzazione delle misurazioni per ridurre le dimensioni dei nostri calcoli a qualcosa che fosse ragionevole in termini di tempo di calcolo. Siamo passati da qualcosa di proibitivamente grande a qualcosa che era suscettibile all’hardware quantistico”.
I membri del team ORNL hanno applicato tre strategie indipendenti per ridurre il carico di lavoro computazionale del problema, riducendo il tempo necessario per la soluzione da mesi a poche settimane.
In primo luogo, con una tecnica chiamata qubit tapering, hanno ridotto il numero di qubit necessari per esprimere il problema, riducendo la dimensione del problema stesso.
In secondo luogo, hanno effettuato meno misurazioni per risolvere il problema misurando gruppi di termini una volta anziché misurare ogni singolo termine da ogni gruppo.
In terzo luogo, invece di implementare ciascun circuito individualmente, hanno trovato un modo per eseguire quattro circuiti in parallelo, consentendo loro di utilizzare tutti i 20 qubit in H1-1.
“Ci siamo resi conto che se volessimo semplicemente inserire l’intera cosa in un computer quantistico, non funzionerebbe perché è ancora troppo per la tecnologia attuale. L’idea è che tu voglia immaginare un modo per attingere al computer quantistico, ma solo per compiti specifici che sappiamo possono eseguire meglio dei computer convenzionali “, ha detto Claudino.
“Eppure, anche allora, sei ancora limitato dall’attuale stato dell’arte che ci consente solo di salire fino a una certa dimensione o eseguire attività che richiedono solo così tanto tempo. Questo è il principale collo di bottiglia quando si passa ai computer quantistici”.
Il progetto del team ORNL ha dimostrato la fattibilità degli attuali computer quantistici per affrontare problemi scientifici che potrebbero avere un impatto sulla vita quotidiana.
Sebbene Claudino non preveda di affrontare di nuovo presto la fissione singoletto, il suo team sta prendendo in considerazione altri problemi – come “l’interazione tra materia e luce” – che potrebbero essere risolti utilizzando le tecniche di calcolo quantistico dimostrate in questo progetto.
Anche se gli approcci che abbiamo utilizzato sono stati precedentemente pubblicati, direi che sono ben lungi dall’essere ampiamente adottati. Penso che sosteniamo con forza l’uso di tali approcci “, ha affermato Claudino.
“I ricercatori dovrebbero essere consapevoli che potrebbero sprecare risorse quantistiche e potenzialmente aumentare gli errori nelle loro simulazioni non sfruttando queste tecniche”.
UT-Battelle gestisce ORNL per l’Office of Science del DOE, il singolo più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti. L’Office of Science del DOE sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni visita https://energy.gov/science.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
