IQM Kuantum Bilgisayarları ve Volkswagen, kuantum ve klasik kaynakları entegre ederek güçlü bir şekilde sistemlerin simülasyonlarını iyileştiren ve lityum iyon pil ayrıştırma ve nitrojen dimer modelleme gibi uygulamalarda daha az kübitle kimyasal doğruluk elde eden CS-AFQMC yöntemini geliştirdi.
CS-AFQMC yöntemi, Contextual Subspace Auxiliary-Field Quantum Monte Carlo, bağlamsal alt uzay projeksiyonu yoluyla hesaplama doğruluğunu korurken donanım gereksinimlerini en aza indirir ve enerji hesaplamalarında mevcut klasik ve kuantum yaklaşımlarından daha iyi performans gösterir. Bu ölçeklenebilir yöntem, malzeme bilimi, yüksek sıcaklık süperiletkenleri ve fotovoltaik sistemlerdeki uygulamalar için geniş bir potansiyele sahiptir. Mevcut ve gelecekteki kuantum donanımlarına uyarlanırken, karmaşık simülasyonlara daha derin içgörüler sağlar. Araştırmacılar, vaatlerine rağmen CS-AFQMC’nin gürültü dayanıklılığı ve dalga fonksiyonu hazırlama ile ilgili zorluklarla karşı karşıya olduğunu belirtse de, araştırmacıların gelecekteki çalışmalarda daha büyük sistemler için kullanılabilirliğini artırmak ve kuantumdan ilham alan klasik hesaplamaya yeteneklerini genişletmek için bunları ele almayı amaçladıklarını belirtiyorlar.
Bağlamsal Alt Uzay Aracılığıyla Kuantum Kaynaklarını Optimize Etme
Yakın zamanda duyurulan bu işbirliğinde, IQM Kuantum Bilgisayarları ve Volkswagen, kuantum kimyasında güçlü bir şekilde ilişkili sistemlerin simülasyonlarını iyileştirmek için kuantum ve klasik kaynakları entegre eden bir hibrit yöntem olan Bağlamsal Alt Uzay Yardımcı Alan Kuantum Monte Carlo’nun (CS-AFQMC) uygulamasını gösterdi. Ortaklık, bunu lityum iyon pillerdeki etilen karbonatın deneysel bir indirgeyici ayrıştırılmasına (pil simülasyonu) uygulayarak, bu tekniğin karmaşık simülasyonlarda kullanılma potansiyelini, en yüksek doğruluğu elde ederken ve kuantum donanım taleplerini azalttığını, gösterdi. Bağlamsal Alt Uzay Yoluyla Kuantum Kaynaklarının Optimize Edilmesi CS-AFQMC yaklaşımı, klasik hesaplamayı kuantum deneme dalga fonksiyonlarıyla birleştirerek hesaplama doğruluğunu korurken kübit sistem gereksinimlerini en aza indirir. Çalışmada ana hatlarıyla belirtildiği gibi deneme dalga fonksiyonu, bağlamsal bir alt uzay projeksiyon çerçevesi içinde klasik ve kuantum bileşenlerine ayrıştırılır. Bu yöntem, klasik ve kuantum durumlar arasındaki örtüşme hesaplamalarını optimize eden son bir gelişme olan matchgate gölge protokolleriyle uyumludur.
Sonuç, daha az kübit kullanarak karmaşık sistemleri simüle etmek için ölçeklenebilir bir çözümdür.
IQM Kuantum Bilgisayarları Simülasyon Ekip Lideri Fedor Šimkovic, “Yaklaşımımız, etilen karbonat molekülleri ve lityum iyonlarını içeren bir kimyasal reaksiyonu, 32 kübitlik aktif bir uzaydan, bağlamsal bir alt uzayda sadece 13 kübit kullanarak doğru bir şekilde simüle ederek mevcut yeteneklerin ötesine geçiyor” diye açıklıyor.
Pil Kimyası uygulamalarındaki araştırmacılar, yöntemlerini doğrulamak için CS-AFQMC’yi iki ayrı sisteme uyguladılar:
- Azot Dimer (N₂): Kuantum kimyasında zorlu bir ölçüt olan yöntem, 8 kübitlik bağlamsal bir alt uzayda kimyasal doğruluk elde etti ve CCSD(T) ve diğer kuantum-klasik hibritler gibi standart yöntemleri geride bıraktı.
- Etilen Karbonat Ayrışması: Lityum-iyon pil tasarımıyla ilgili olan bu çalışma, pil kararlılığını ve performansını anlamak için önemli bir adım olan etilen karbonatın indirgeyici ayrışmasını simüle etti. CS-AFQMC’yi kullanan ekip, klasik ve mevcut hibrit yaklaşımları aşan enerji hesaplamaları elde etti. Orijinal kübitlerin yalnızca yarısıyla kimyasal doğruluğa ulaşabildiler.
Volkswagen’den Matthew Kiser, “Lityum bazlı pillerde nitrojen dimerini ve etilen karbonatın indirgeyici ayrışmasını inceleyerek, yöntemimizin temel durum enerji hesaplamaları için yerleşik algoritmaların birçoğundan daha iyi performans gösterdiğini ve orijinal kübit sayısının yarısından daha azıyla kimyasal doğruluğa ulaştığını gözlemledik.” dedi.
Çalışmaya göre, CS-AFQMC’nin en umut verici yönlerinden biri ölçeklenebilirliğidir. Algoritmanın bağlamsal alt uzay boyutunu ayarlama yeteneği, kuantum donanımı iyileştikçe daha büyük sistemleri simüle etmek için esnek bir yol sağlar. Yaklaşımın ayarlanabilirliği, araştırmacıların bu aracı gürültülü orta ölçekli veya gelecekteki hata toleranslı cihazlar olsun, kullanmalarına olanak tanır. Ancak, yöntem sınırlamalardan yoksun değildir. Çalışma, gürültü dayanıklılığı ve kuantum cihazlarda hazırlanan deneme dalga fonksiyonlarının doğruluğu ile ilgili zorlukları vurgulamaktadır.
CS-AFQMC bazı gürültü etkilerini azaltırken, deneme dalga fonksiyonunun kalitesi enerji tahminlerindeki önyargıyı ve varyansı doğrudan etkiler. Ek olarak, dengeleyicileri tanımlamak için uygun bir yardımcı operatöre duyulan ihtiyaç, daha büyük sistemler için bile ölçeklenebilirlik darboğazları oluşturabilir. Gelecekteki araştırmalar, deneme durumu hazırlama tekniklerini iyileştirerek ve CS-AFQMC’nin yoğun madde fiziğinde bulunan periyodik kafes sistemlerine uygulanmasını araştırarak bu zorlukları ele almayı amaçlamaktadır. Ayrıca, klasik yöntemleri bağlamsal temel durum çözücüleri olarak kullanarak algoritmayı kuantumdan ilham alan klasik ortamlara genişletme potansiyeli de vardır.
Ölçeklenebilir kuantum algoritmaları için ileriye doğru bir yol olan hibrit kuantum-klasik algoritmaların kullanımı, erişim ve yetenek açısından sınırlı olan mevcut cihaz kullanılabilirliğini göz önünde bulundurduğumuzda özellikle önemlidir. CS-AFQMC, geleneksel olarak çözülmesi zor sorunları çözmek için kuantum hesaplamanın yönlerini bir araya getirerek bir köprü görevi görürken mevcut cihazlarda kullanım için de uygundur. Kuantum hesaplama hala aktif geliştirme aşamasındayken, Volkswagen ve IQM gibi şirketler arasındaki iş birlikleriyle tasarlanan ve test edilen CS-AFQMC gibi yöntemler de oldukça verimli olmaktadır.
Kaynakça:
Yazar: Erdal Eren Uğurcuklu
Redakte: Emine Elif Pekduru
