„Google“ tyrėjai pirmą kartą panaudojo kvantinį kompiuterį simuliuoti cheminę reakciją. Reakcija paprasta, tačiau tai žymi praktinio kvantinių kompiuterių panaudojimo pažangą.
„Google“ tyrėjai pirmą kartą panaudojo kvantinį kompiuterį simuliuoti cheminę reakciją. Reakcija paprasta, tačiau tai žymi praktinio kvantinių kompiuterių panaudojimo pažangą.
Kvantinis kompiuteris Google laboratorijoje Kalifornijoje
© „Google AI Quantum“, James Crawford nuotr.
Kadangi atomai ir molekulės paklūsta kvantinės mechanikos dėsniams, tikimasi, kad kvantiniai kompiuteriai tiksliam reakcijų simuliavimui tiks geriausiai.
Šiuose kompiuteriuose informacijos apdorojimui ir saugojimui naudojami kvantiniai bitai – kubitai. Tačiau kvantiniais kompiuteriais sunku pasiekti tikslumą, būtiną simuliuoti didelius atomus ar sudėtingas chemines reakcijas.
„Google“ komanda pirmosioms tikslioms cheminių reakcijų simuliacijoms naudojo „Sycamore“ įrenginį. „Sycamore“ kvantinį pranašumą pasiekė 2019 metais, kai atliko skaičiavimus, kuriuos klasikiniu kompiuteriu per praktišką laiką atlikti būtų neįmanoma.
Dabar tyrėjai kvantiniu kompiuteriu simuliavo iš dviejų azoto ir dviejų vandenilio atomų susidedančios diazeno molekulės reakciją, kai vandenilio atomai perina į kitą konfigūraciją azoto atomų atžvilgiu. Kvantinės simuliacijos atitiko simuliacijas, atliktas klasikiniais kompiuteriais, kurią tyrėjai atliko, siekdami pasitikrinti savo darbą.
Nors ši reakcija santykinai primityvi ir jai simuliuoti kvantiniai kompiuteriai nėra būtini, šis darbas yra didelis žingsnis kvantinių skaičiavimų srityje, sako Ryan Babbush iš „Google“.
„Dabar atliekame fundamentaliai kito mastelio kvantinius skaičiavimus, – sako jis, – Ankstesni darbai buvo skaičiavimai, kuriuos iš esmės galima atlikti pieštuku ant popieriaus, tuo tarpu šioms simuliacijoms kompiuteris yra būtinas.“
Pritaikyti algoritmą sudėtingesnėms reakcijoms, turėtų būti gan paprasta, sako Babbush: didesnių molekulių reakcijoms simuliuoti tiesiog reikės daugiau kubitų ir šiek tiek paderinti skaičiavimus. Kada nors, atlikdami kvantines simuliacijas gal net galėsime kurti naujas chemines medžiagas, sako jis.
Kvantinius kompiuterius gali sunaikinti aukštos energijos dalelės iš kosmoso
Kosminė radiacija gali tapti didele problema kvantiniams kompiuteriams, nes kosminiai spinduliai gali sutrikdyti trapias jų vidines būsenas ir taip apriboti skaičiavimus, kuriuos jais galima atlikti.
Kuriant kubitus, vienas iš svarbiausių fakltorių yra koherencijos laikas, tai yra laikas, kurį kubitas gali išlikti nustatytos būsenos.
IBM kvantinio kompiuterio viduje © „IBM Research“
„Kuo šis laikas ilgesnis, tuo daugiau ir sudėtingesnių skaičiavimų galima atlikti, ir tuo patikimesni šie skaičiavimai, – sako Brent VanDevender iš Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinės laboratorijos (Pacific Northwest National Laboratory – PNNL) Vašingtono valstijoje. – Netgi kelios milisekundės nėra pakankamai ilgas laikas atlikti bendros paskirties kvantinius skaičiavimus.“
Aplinkos radiacijos poveikį koherencijos laikui tirti jis su kolegomis panaudojo du kubitus iš superlaidininkų. Superlaidininkuose krūvį perneša elektronų poros, bet ankstesniuose eksperimentuose paaiškėjo, kad šios poros išskiriamos daug dažniau, nei tikėtasi, dėl ko trumpėja koherencijos laikas.
Tyrėjai atrado, kad visą suyrančių elektronų porų perteklių gali paaiškinti foninė radiacija – tiek branduolinių skilimo, natūraliai vykstančio įvairiausiose medžiagose, tiek ir viską perveriančių kosminių spindulių.
Ši radiacija kvantiniams kompiuteriams problemų kol kas nekelia, nes yra kitų, svarbesnių aplinkos triukšmo šaltinių, pažymi jie, bet kvantiniams kompiuteriams tobulėjant, per kitą dešimtmetį radiacija gali tapti ribojančiu faktoriumi. Dalį radiacijos galima sulaikyti švinu ar betonu uždengiant kompiuterius ar padedant juos į požemius, kaip tai daro fizikai, atliekantys kitus eksperimentus, jautrius kosminės spinduliuotės poveikiui.
„Visgi, jei kvantiniai skaičiavimai paplis plačiau, visų tokių kompiuterių nukišimo į požemius perspektyva „ima darytis absurdiška ir tampa argumentu naudoti kito tipo kubitus“, – sako VanDevender. Ir iš tiesų, jis su kolegomis stengiasi sukurti kubitus, kurie dėl kelių nutrūkusių elektronų porų koherencijos neprarastų.
Tai būtų stulbinamai naudinga kitiems fizikos eksperimentams, kuriuose naudojami jutikliai, ieškantys tamsiosios materijos dalelių ar neutrinų sukeliamos radiacijos. Tam reikia didelio jautrumo suirusioms elektronų poroms. „Jei galima sukurti kubitą, kuris šiam elektronų porų iširimui nėra toks jautrus, tai neturėtų būti sunku sukurti ir jutiklį, kuris būtų jautresnis“, – sako tyrime dirbęs Ben Loer, irgi iš PNNL.
Leah Crane / www.newscientist.com
Žurnalo nuoroda: „Nature“, DOI: 10.1038/s41586-020-2619-8
Žurnalo nuoroda: „Science“, DOI: 10.1126/science.abb9811
