量子コンピューターでの化学結合、史上初のシミュレーション

●　研究者は、水素分子と水素化リチウムの化学結合をシミュレートするために、20量子ビットプロセッサで4量子ビットを使用

●　これは、イオントラップ型の系上で実行された、エネルギー結合の史上初の量子シミュレーションである

量子シミュレーターは、リチャード・ファインマンによって最初に提案されました。制御された量子進化を利用して、化学、物理学、材料科学などのさまざまな分野で困難な問題を解決できる他の量子システムをシミュレートすることを目的としています。

従来のコンピューターの範囲を超えた複雑さレベルの量子シミュレーションを可能にするために、超伝導量子ビット（スピン軌道）やイオントラップ型などのプラットフォームで実現される普遍的な量子マシンをスケールアップするために、さまざまな道が追求されています。

最近、シドニー大学と量子光学・量子情報研究所（オーストリア）の研究者は、量子コンピューターを使用して化学結合と反応をモデル化する有望な方法を模索しました。彼らが正確に何をしたのか、見てみましょう。

エネルギー結合のシミュレーション

高度なスーパーコンピューターであっても、基本的な化学的性質を正確にモデル化することは非常に困難です。しかし、量子マシンは、シミュレーションを通じて、物質を理解し、医学、工業化学、材料科学の複雑な問題を解決するための新しい方法を提供する可能性があります。

これまでのところ、量子シミュレーションのイオントラップ型への実装は、単一量子ビットでの作業に限定されていました。現在、研究者は20量子ビットプロセッサ上で4量子ビットを使用して、水素分子と水素化リチウムの化学結合をシミュレートするためのアルゴリズムを実行しています。

なぜこれらの分子なのかと尋ねたくなりますか？ それらはよく理解されており、従来のコンピューターでシミュレートすることができます。これにより、研究者は開発中の量子プロセッサの結果を検証できます。エラーを探し、ベンチマークを設定し、主要な改善を計画することができます。

イオントラップ型量子ビットシステムでは、各量子ビットを他の量子ビットと任意に絡ませることができます。したがって、シミュレーションの一部は、一連の連結プロセスではなく、単一の操作で取得できます。

これは、カフェインやアンモニアなどの複雑な分子をシミュレートするために必要な多次元（100を超える）空間での化学プロセスをシミュレートするためのプラスポイントになる可能性があります。

この研究では、これまでの最大または最も正確なシミュレーションに焦点を当てるのではなく、変分量子固有値ソルバー（位相推定の実験的オーバーヘッドを削減するための量子/古典的ハイブリッドアルゴリズム）で計画外になる可能性があるものに重点を置きました。

このような効率的で改善を続けるアルゴリズムをエラー軽減方法論と組み合わせて使用することにより、研究者は近い将来、数十量子ビットの化学反応の合理的に正確な量子シミュレーションを実現できます。

将来のアプリケーション

彼らは、化学の問題をエンコードする複数の方法を観察することにより、複数の方法を観察することで、量子コンピューターのエラーを最小限に抑え、リアルタイムアプリケーションで使用できる有用な量子マシンを開発しようとしています。

量子コンピューティングは初期段階にあるため、将来どのような問題を効率的に解決できるかははっきりしていません。ほとんどの専門家は、この新しい技術が量子化学において最も有益なアプリケーションを持つと信じています。

量子化学とは、分子の複雑なエネルギー結合と反応を意味し、これは今日の最速のスーパーコンピューターの限界を超えています。量子マシンでこれらのプロセスをモデル化・分析することで、研究者は、化学反応の低エネルギー経路が明らかになり、新しい触媒の設計が可能になると期待しています。

これは、肥料生産などの化学産業に大きな影響を与える可能性があります。他の実現可能なアプリケーションには、強化された材料による高度なバッテリーと有機太陽電池の開発が含まれます。