Det finns stora förhoppningar om att kvantdatorer kan ge revolutionerande nya möjligheter att simulera kemiska processer. Det skulle kunna få en stor påverkan på allt från utvecklingen av nya läkemedel till nya material. Nu har forskare på Chalmers för första gången i Sverige använt en kvantdator för att räkna på ett verkligt problem inom kemi.

Chalmers kvantdator och molekyler
Foto: Chalmers/Anna-Lena Lundqvist/Freepik.com

− Kvantdatorer skulle i princip kunna hantera fall där elektroner och atomkärnor rör sig på mer komplicerade sätt, säger Martin Rahm, docent i teoretisk kemi vid institutionen för kemi och kemiteknik, som lett studien. Om vi kan utnyttja den potentialen till fullo borde vi kunna flytta gränsen för vad som är möjligt att beräkna och förstå många steg framåt.

Inom fältet kvantkemi använder man kvantmekanikens lagar för att förstå vilka kemiska reaktioner som är möjliga, vilka strukturer och material som går att utveckla och vad de har för egenskaper. Sådana studier sker vanligtvis med hjälp av beräkningar på superdatorer, byggda med konventionella logiska kretsar. Det finns dock en gräns för vilka beräkningar konventionella datorer klarar. Eftersom kvantmekanikens lagar beskriver naturen på skalor som är mindre än atomer så tror många forskare att en kvantdator borde vara bättre lämpad att räkna på molekyler än en vanlig dator.

− Det mesta är kemi i grund och botten. Till exempel våra energibärare, inom biologi såväl som i gamla och nya bilar, är elektroner och atomkärnor arrangerade på olika sätt i molekyler och material. Problemen vi löser i fältet kvantkemi handlar bland annat om att räkna ut vilka av dessa arrangemang som är mer troliga eller fördelaktiga, samt deras egenskaper.

Det är en bit kvar tills kvantdatorerna kan uppnå det forskarna strävar mot. Forskningsfältet är fortfarande ungt, med förhållandevis små modellberäkningar som kompliceras av brus från kvantdatorns omgivning. Men Martin Rahm och hans kollegor har nu hittat en metod som de ser som ett viktigt steg framåt. Metoden kallas Reference-State Error Mitigation (REM) och går ut på att korrigera för felen som uppstår på grund av brus genom att använda sig av beräkningar på både en kvantdator och en konventionell dator.

− Studien är ett test på konceptet att vår metod förbättrar kvaliteten på kvantkemiska beräkningar. Den är ett användbart verktyg som vi kommer använda för att förbättra våra beräkningar på kvantdatorer framöver.

Principen för metoden är att först undersöka ett så kallat referenstillstånd (eng. reference state), genom att beskriva och lösa samma problem både på en konventionell dator och på en kvantdator. Detta referenstillstånd motsvarar en mer ungefärlig beskrivning av en molekyl än det ursprungliga problem man vill att kvantdatorn ska lösa, och är sådant att en konventionell dator kan lösa det snabbt. Genom att även mäta lösningen för referenstillståndet på kvantdatorn får man en precis uppskattning av hur mycket fel som orsakas av brus. Skillnaden mellan de två datorernas lösningar till referensproblemet kan sedan användas för att korrigera lösningen till det ursprungliga svårare problemet när det körs på kvantprocessorn.

Genom att kombinera den nya metoden med data från Chalmers kvantdator Särimner har forskarna nu lyckats räkna ut den inneboende energin i små exempelmolekyler som vätgas och litiumhydrid. Motsvarande beräkningar kan idag utföras snabbare med en konventionell dator, men den nya metoden representerar en viktig utveckling och den första demonstrationen av kvantkemiska beräkningar på en kvantdator i Sverige.

− Vi ser goda möjligheter att utveckla metoden vidare för att göra beräkningar på större, mer komplexa molekyler när nästa generation kvantdatorer står redo.

Forskningen har gjorts i nära samarbete med forskarkollegor på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap. De har byggt kvantdatorn som användes i studien, och hjälpt till att utföra de känsliga mätningar som behövdes för att göra de kemiska beräkningarna.

− Det är bara genom att köra riktiga kvantalgoritmer som vi kan förstå hur vår hårdvara verkligen fungerar, och förbättra den. Kemiberäkningar är ett av de områden där vi tror att kvantdatorer först kommer att göra nytta, så samarbetet med Martin Rahms grupp är extra värdefullt, säger Jonas Bylander, docent i kvantteknologi vid institutionens för mikroteknologi och nanovetenskap.

Forskningen har skett i samarbete med Wallenberg Centre for Quantum Technology (WACQT) och EU-projektet OpensuperQ. OpenSuperQ samlar universitet och företag i tio europeiska länder för att bygga en kvantdator, och dess förlängning kommer att bidra till ytterligare finansiering av Chalmersforskarnas fortsatta arbete med kvantkemiska beräkningar.

Särimner är namnet på en kvantprocessor med fem qubits, eller kvantbitar, byggd på Chalmers inom ramarna för Wallenberg Center for Quantum Technology. Namnet kommer från den fornnordiska mytologin, där grisen Särimner slaktades och åts upp varje dag, för att sedan återuppstå.

Särimner har nu ersatts av en större dator med 25 qubits, och målet för WACQT är att bygga en kvantdator med 100 qubits som kan lösa problem långt bortom kapaciteten för dagens bästa konventionella superdatorer.

Det är en bit kvar tills kvantdatorerna kan uppnå det forskarna strävar mot. Forskningsfältet är fortfarande ungt, med förhållandevis små modellberäkningar som kompliceras av brus från kvantdatorns omgivning. Men Martin Rahm och hans kollegor har nu hittat en metod som de ser som ett viktigt steg framåt. Metoden kallas Reference-State Error Mitigation (REM) och går ut på att korrigera för felen som uppstår på grund av brus genom att använda sig av beräkningar på både en kvantdator och en konventionell dator.

− Studien är ett test på konceptet att vår metod förbättrar kvaliteten på kvantkemiska beräkningar. Den är ett användbart verktyg som vi kommer använda för att förbättra våra beräkningar på kvantdatorer framöver.

Principen för metoden är att först undersöka ett så kallat referenstillstånd (eng. reference state), genom att beskriva och lösa samma problem både på en konventionell dator och på en kvantdator. Detta referenstillstånd motsvarar en mer ungefärlig beskrivning av en molekyl än det ursprungliga problem man vill att kvantdatorn ska lösa, och är sådant att en konventionell dator kan lösa det snabbt. Genom att även mäta lösningen för referenstillståndet på kvantdatorn får man en precis uppskattning av hur mycket fel som orsakas av brus. Skillnaden mellan de två datorernas lösningar till referensproblemet kan sedan användas för att korrigera lösningen till det ursprungliga svårare problemet när det körs på kvantprocessorn.

Genom att kombinera den nya metoden med data från Chalmers kvantdator Särimner har forskarna nu lyckats räkna ut den inneboende energin i små exempelmolekyler som vätgas och litiumhydrid. Motsvarande beräkningar kan idag utföras snabbare med en konventionell dator, men den nya metoden representerar en viktig utveckling och den första demonstrationen av kvantkemiska beräkningar på en kvantdator i Sverige.

Filed under: SvenskTeknik