Een internationale groep onderzoekers heeft 's werelds eerste multi-qubit-demonstratie van een kwantumchemische berekening uitgevoerd op een systeem van ingesloten ionen, een van de toonaangevende hardwareplatforms in de race om een ​​universele kwantumcomputer te ontwikkelen.

Het onderzoek, onder leiding van de natuurkundige Dr. Cornelius Hempel van de Universiteit van Sydney, onderzoekt een veelbelovend pad voor het ontwikkelen van effectieve manieren om chemische bindingen en reacties te modelleren met behulp van kwantumcomputers. Het is vandaag gepubliceerd in het prestigieuze Fysieke beoordeling X van de American Physical Society.

"Zelfs de grootste supercomputers hebben moeite om alles nauwkeurig te modelleren behalve de meest elementaire chemie. Quantumcomputers die de natuur simuleren, echter, ontsluiten een geheel nieuwe manier om materie te begrijpen. Ze zullen ons een nieuw hulpmiddel bieden om problemen in de materiaalwetenschap op te lossen, geneeskunde en industriële chemie met behulp van simulaties."

Nu kwantumcomputing nog in de kinderschoenen staat, het blijft onduidelijk welke problemen deze apparaten het meest effectief zullen oplossen, maar de meeste experts zijn het erover eens dat kwantumchemie een van de eerste 'killer-apps' van deze opkomende technologie zal zijn.

Kwantumchemie is de wetenschap van het begrijpen van de gecompliceerde bindingen en reacties van moleculen met behulp van kwantummechanica. De 'bewegende delen' van alles behalve de meest eenvoudige chemische processen gaan de capaciteit van de grootste en snelste supercomputers te boven.

Door deze processen te modelleren en te begrijpen met behulp van kwantumcomputers, wetenschappers verwachten lagere energiebanen voor chemische reacties te ontsluiten, waardoor het ontwerp van nieuwe katalysatoren mogelijk is. Dit zal grote gevolgen hebben voor industrieën, zoals de productie van meststoffen.

Andere mogelijke toepassingen zijn de ontwikkeling van organische zonnecellen en betere batterijen door verbeterde materialen en het gebruik van nieuwe inzichten om gepersonaliseerde medicijnen te ontwerpen.

In samenwerking met collega's van het Institute for Quantum Optics and Quantum Information in Innsbruck, Oostenrijk, Dr. Hempel gebruikte slechts vier qubits op een apparaat van 20 qubits om algoritmen uit te voeren om de energiebindingen van moleculaire waterstof en lithiumhydride te simuleren.

Deze relatief eenvoudige moleculen zijn gekozen omdat ze goed worden begrepen en kunnen worden gesimuleerd met behulp van klassieke computers. Hierdoor kunnen wetenschappers de resultaten van de kwantumcomputers die in ontwikkeling zijn, controleren.

Dr. Hempel zei:"Dit is een belangrijke fase in de ontwikkeling van deze technologie, omdat het ons in staat stelt om benchmarks vast te stellen, zoek naar fouten en plan de nodige verbeteringen."

In plaats van te streven naar de meest nauwkeurige of grootste simulatie tot nu toe, Het werk van Dr. Hempel was gericht op wat er mis kan gaan in een veelbelovend kwantumklassiek hybride algoritme dat bekend staat als variatiekwantum eigensolver of VQE.

Door te kijken naar verschillende manieren om het chemieprobleem te coderen, de onderzoekers zijn op zoek naar manieren om fouten te onderdrukken die zich voordoen in de onvolmaakte kwantumcomputers van vandaag en die de bruikbaarheid van die machines op korte termijn in de weg staan.

Foutonderdrukking vormt de kern van het onderzoek dat wordt uitgevoerd in het Quantum Control Laboratory van de Universiteit van Sydney, onder leiding van professor Michael Biercuk, die onlangs Australië's eerste particuliere kwantumstart-up lanceerde, Q-CTRL. Dr. Hempel, die de experimenten deed aan de Universiteit van Innsbruck, hoopt nu gebruik te maken van de expertise van Sydney om te verbeteren wat kan worden bereikt met dit soort simulaties.

De krant, vandaag gepubliceerd in toonaangevend tijdschrift Fysieke beoordeling X , werd samen met Innsbruck Professor Rainer Blatt geschreven, een pionier in kwantumcomputers, en voormalig Harvard-professor Alan Aspuru-Guzik, die sindsdien is verhuisd naar de Universiteit van Toronto.

Professor Blatt, van IQOQI in Innsbruck, zei:"Kwantumchemie is een voorbeeld waar de voordelen van een kwantumcomputer zeer snel duidelijk zullen worden in praktische toepassingen."

Hoofd van het kwantumwetenschappelijk domein van het University of Sydney Nano Institute, Dr. Ivan Kassal, zei:"Dit werk is een opmerkelijke implementatie van een van de meest veelbelovende benaderingen van kwantumchemie, bewijst zijn moed op een echte kwantuminformatieprocessor."

Hij zei dat de beslissing van Dr. Hempel om in 2016 naar de Universiteit van Sydney te verhuizen een uitstekende aanvulling was op het sterke kwantumteam op de campus. "Theoretische scheikunde en materiaalwetenschap zijn sterke punten van deze universiteit en ze zullen worden aangevuld met deze nieuwste technieken in kwantumberekening, " hij zei.