Google und Covestro verschieben Grenzen bei Quantencomputing
In den letzten drei Jahren haben engagierte Spezialistenteams von Google und Covestro daran zusammengearbeitet, die Nützlichkeit von Quantencomputing für die chemische Forschung für die Industrie zu untersuchen. Neben tiefem technischem Know-how und Liebe zum Detail erfordert diese Arbeit Offenheit für unerwartete Lösungen, Ehrlichkeit und Vertrauen zwischen den Partnern. Werte, die funktionieren – das sehen wir anhand der ersten fruchtbaren Ergebnisse unserer Zusammenarbeit.
Unsere jüngste Studie, die in Nature Physics veröffentlicht wurde, beschreibt, wie Simulationsergebnisse, die mit verrauschten, vorfehlerkorrigierten Quantencomputern erzielt wurden, systematisch in Richtung der gewünschten rauschfreien Antwort verbessert werden können. Die Arbeit zeigt, dass es möglich ist, die aktuelle Generation von Quantencomputern für chemische Simulationen zu nutzen.
Verrauschte Quantenberechnungen bereinigen
Die Simulation quantenmechanischer Systeme ist die vielversprechendste frühe Anwendung des Quantencomputings. Für die Simulation von Molekülen, die eine chemische Reaktion durchlaufen, stellt das Rauschen in den heutigen vorfehlerkorrigierten Quantencomputern jedoch eine große Herausforderung dar. Dies liegt daran, dass interessante Größen, wie z. B. die Geschwindigkeit, mit der eine Reaktion abläuft, von winzigen Unterschieden zwischen großen elektronischen Grundzustandsenergien bestimmt werden. Dies legt die Messlatte für die erforderliche Genauigkeit jeder Simulation sehr hoch. Die Fehlerquoten bei den kurzfristig verfügbaren Geräten sind so hoch, dass es unmöglich ist, diese Messlatte zu erreichen. Es sei denn, die Fehler können erfolgreich reduziert werden.
Die Frage, ob hinreichend effektive Wege gefunden werden können, um die Auswirkungen des Rauschens abzuschwächen, ohne auf vollständige Quantenfehlerkorrektur warten zu müssen, ist eine entscheidende Frage für kurzfristige Anwendungen von Quantencomputing in der Chemie. Deshalb haben wir uns in unserem aktuellen Artikel mit dieser Frage beschäftigt.
In unserer neuen Arbeit wurden zwei sogenannte "purifikationsbasierte" Fehlerminderungstechniken untersucht, die zuvor bei Google entwickelt, aber nicht auf Hardware in der Industrie getestet wurden. Wir haben sie an Algorithmen für die Chemie getestet, die zuvor von Covestro und Qu & Co (jetzt Teil von PASQAL) entwickelt wurden. Wir wollten eine Berechnung aufstellen, die der Art von Berechnung sehr nahekommt, die man zur Lösung realer Probleme in der Chemie durchführen würde. Wollten sie aber dennoch einfach genug halten, um die Wirksamkeit verschiedener Methoden zur Fehlerminderung zu untersuchen.
Um eine solche Berechnung zu erstellen, baute das Team auf früheren Arbeiten auf, bei denen Elektronenkorrelationen berücksichtigt werden, die Elektronen jedoch als paarweise gekoppelt beschrieben werden. Dies macht unsere neue Arbeit zu einem natürlichen nächsten Schritt nach einem vorangegangenen Experimente von Google, bei dem Hartree-Fock auf einem Quantengerät simuliert wurde. Dies ist eine weniger präzise Methode, die auch auf einem klassischen Computer effizient ausgeführt werden kann. Interessanterweise haben wir herausgefunden, dass dieser Schritt ausreicht, um eine exakte klassische Simulation so herausfordernd zu machen wie eine allgemeine Quantenberechnung. Damit gelangen auch Komplexitäten an die Oberfläche, die das vorherige Experiment umgehen konnte, was die neue Simulation in der Praxis viel näher an eine mögliche Simulation jenseits der klassischen Computersimulationen brachte.
Hundertfache Reduzierung der Fehlerquote erreicht
Wir haben festgestellt, dass die auf Bereinigung basierenden Fehlerminderungstechniken unter dem realen Rauschen des Geräts sehr effektiv sind. Wir konnten eine Fehlerreduktion um das bis zu Hundertfache erreichen. Noch besser ist, dass diese Fehlerunterdrückung in der Lage zu sein scheint, größere Berechnungen zu bewältigen oder besser zu leisten als bisher. Diese Art der Skalierbarkeit ist von entscheidender Bedeutung, da es bei größeren Berechnungen wahrscheinlicher ist, dass sich das Rauschen auf das Ergebnis auswirkt. Dies sind äußerst ermutigende Ergebnisse, die zeigen, dass ein wesentlicher Bestandteil für den vorfehlerkorrigierten Quantenvorteil tatsächlich funktioniert, zumal es sich bei den getesteten Methoden um "Online"-Methoden handelt, die nahtlos auf Änderungen der Stärke und Art des Fehlers reagieren, der auf dem Gerät auftritt, und sie die Fehler auf dem Gerät tatsächlich abmildern, anstatt nur fortzuschreiben.
Diese Fehlerunterdrückung geht jedoch mit dem Preis einher, dass die Quantenschaltkreise häufiger ausgeführt werden müssen, als es bei einem perfekten Gerät erforderlich wäre. Selbst ein idealer Quantencomputer liefert in der Regel nicht die gewünschte Antwort nach einer einzigen Schaltungsausführung. Es sind mehrere Wiederholungen erforderlich, um die gesuchte Größe als Mittelwert über viele Messungen zu erhalten.
Auch unser neuer Artikel beleuchtet diese Frage. Zum ersten Mal wurden purifikationsbasierte Quantenfehlerminderungstechniken systematisch auf Hardware über verschiedene Systemgrößen getestet. Während die Fehlerunterdrückung hält oder sich verbessert, wächst auch die Anzahl der Wiederholungen, die erforderlich sind, um diese präzisen Ergebnisse zu erzielen. Wir kamen schnell an den Punkt, an dem dies zum limitierenden Faktor wird. Dies ermöglicht es zwar, präzise Ergebnisse für Berechnungen zu erhalten, bei denen dies bisher nicht möglich war, bedeutet aber auch, dass man länger auf diese Ergebnisse warten muss.
Während unser Ausblick auf die Fehlerminderung relativ positiv ist, ist der Weg von diesen Ergebnissen hin zu einer über die klassische Simulation der Chemie hinausgehenden Methoden noch unklarer. Um dies in die Praxis umzusetzen, sind erhebliche theoretische und experimentelle Fortschritte erforderlich, und wir wissen nicht, ob diese vor dem Zeitalter der Quantenfehlerkorrektur erreicht werden können. Um kurzfristig brauchbare Quantenberechnungen zu erreichen, kann ein Paradigmenwechsel hin zu anderen Methoden oder anderen Anwendungen erforderlich sein.
Es müssen also noch grundlegende Forschungsfragen beantwortet werden, bevor Feynmans Traum, Quantencomputer zur Simulation von Quantensystemen einzusetzen, industriell relevant werden kann. Google und Covestro haben sich gemeinsam der Forschung an diesem Ziel verschrieben.