Google uskutečnil první kvantovou simulaci chemické reakce  
Společnost Google o sobě dala vědět ve kvantovém klání, které probíhá mezi nimi a IBM, a také dalšími aktéry. S kvantovým procesorem Sycamore poprvé kvantově simulovali chemickou reakci. Byla to zatím jen „rozcvička“ s jednoduchou reakcí, ale brzy bychom se mohli dočkat dalších kvantových kouzel v chemii.

 

Kvantový počítač v laboratořích Google. Kredit: Google AI Quantum / James Crawford.
Kvantový počítač v laboratořích Google. Kredit: Google AI Quantum / James Crawford.

Specialisté společnosti Google si připsali významný úspěch ve vývoji kvantových výpočtů. Poprvé použili kvantový počítač k simulaci chemické reakce. Šlo sice jenom o jednoduchou chemickou reakci, ale i tak to je významný milník na cestě k praktickému využití kvantových počítačů.

 

 

Protagonisté chemických reakcí, tedy molekuly a atomy, fungují podle pravidel kvantové mechaniky. Mnozí očekávají, že právě kvantové počítače budou nejlepším nástrojem, jak přesně simulovat chemické reakce. Kvantové počítače využívají k výpočtům a ukládání informací qubity, které nezahrnují jen nuly a jedničky, ale jejich stav může být jistou kombinací těchto hodnot. Nicméně, soudobé kvantové počítače jen obtížně dosahují přesnosti výpočtů, která je nezbytná k simulacím chemických reakcí.

 

Ryan Babbush. Kredit: Google.
Ryan Babbush. Kredit: Google.

 

Tým Google využil pro první přesnou kvantovou simulaci chemické reakce jejich vlastní kvantový procesor Sycamore, který tvoří celkem 54 qubitů. Tento procesor se loni stal předmětem tahanic mezi Google a IBM o Kvantovou nadvládu (Quantum Supremacy), kterou si Google nárokovali a IBM s tím nesouhlasili. Stručně řečeno, podle Google Sycamore řeší určité úlohy jako ďábel, podle IBM spíš podobně jako dnešní top superpočítače.

 

Kvantový chip Sycamore. Kredit: Google / Arute at al. (2019), Nature.
Kvantový chip Sycamore. Kredit: Google / Arute at al. (2019), Nature.

 

V Google simulovali vazebnou energii řetězců atomů vodíku a molekulu diazenu (diimidu), kterou tvoří dva atomy dusíku a dva atomy vodíku. V simulaci tato molekula podstoupila izomerickou reakci, během které se atomy molekuly v podobě jednoho z izomerů uspořádaly v konfiguraci druhého izomeru. Výsledky kvantové simulace souhlasí s tím, co s diazenem spočítaly klasické počítače.

 

Jak uvádí Ryan Babbush z Google, simulovaná reakce je poměrně jednoduchá a nebylo vlastně nutné použít kvantovou simulaci. Přesto je to podle něj zásadní krok směrem k široce využívaným kvantovým výpočtům. Simulace složitějších chemických reakcí budou závislé především na počtu dostupných qubitů, plus dílčí úpravy výpočtů. Jednoduše řečeno, čím větší molekuly v reakcích, tím více bude nutné použít qubitů. Babbush věří, že jednou bude možné vyvíjet nové molekuly právě díky kvantovým simulacím.

 

Video: Simulating Chemistry on Realistic Quantum Computers

 

Video: Q2B 2019 | Quantum Applications Development at Google | Ryan Babbush | Google AI

 

Literatura

New Scientist 27. 8. 2020.

Science 369: 1084–1089.

Datum: 29.08.2020
Tisk článku

Kvantový moment - Crease Robert P., Goldhaber Alfred Scharff
 
 
cena původní: 350 Kč
cena: 347 Kč
Kvantový moment
Crease Robert P., Goldhaber Alfred Scharff
Související články:

Švýcarští vědci zvládli rekordní simulaci 45-qubitových kvantových výpočtů     Autor: Stanislav Mihulka (06.07.2017)
Kvantové závody: IBM hlásí významný úspěch     Autor: Stanislav Mihulka (14.11.2017)
IBM postavili nejvýkonnější kvantový počítač s 53 qubity     Autor: Stanislav Mihulka (21.09.2019)



Diskuze:

Reakce?

Petr Petr,2020-08-30 12:22:41

Podle dostupných zdrojů
https://ai.googleblog.com/2020/08/scaling-up-fundamental-quantum.html
jde o simulaci/výpočet stavu molekuly (a tak možnost predikce reakcí)
https://arxiv.org/pdf/2004.04174.pdf
HF aproximací
https://cs.wikipedia.org/wiki/Hartreeho%E2%80%93Fockova_metoda
s tuctem/12 qubity (jde o to zjistit kombinaci 12 známých stavů/orbitalů aproximačního rozvoje).

Odpovědět

01

Josef Sysel,2020-08-29 09:44:10

Nevím jak mám rozumět tomuto:
"Kvantové počítače využívají k výpočtům a ukládání informací qubity, které nezahrnují jen nuly a jedničky, ale jejich stav může být jistou kombinací těchto hodnot."
Pro mě je to jednoznačně černobílá kombinace.
Jakože 01=0 a 10=1 nebo jak?

Odpovědět


Re: 01

Michal Varga,2020-08-29 15:00:57

Ak mas 1 qubit, moze obsahovat informacie, 1, 0 a 1/0 sucasne. Zaujimave to zacne byt, ak mas quibity aspon dva. Vdaka tomu ze kazdy z tych dvoch qubitov moze byt v stave 1/0 sucasne, a ze su tieto stavy kvantovo previazane, mozes nad nimi vykonavat matematicke operacie s radovo mensou zlozitostou ako je tomu u klasickych pocitacov. Napriklad ak chces napisat program, ktory ti ma najst najkratsiu cestu veducu z bludiska, na klasickom pocitaci musis napisat rekurzivny algoritmus, ktory vyskusa vsetky moznosti a potom zobrazi vysledok. Kvantovy pocitac to nepotrebuje robit, pretoze dokaze svojom vypocte odbocit vpravo aj vlavo sucasne (a tuto informaciu si ulozi do qubitu ako superpoziciu) bez toho aby sa musel k tomuto bodu pri rieseni vracat a opakovat ho s inym nastavenim. Vypocet na kvantovom pocitaci prebieha tak, ze nastavis premenne, nechas to hrkat a precitas si vyledok. Ten spravidla skolabuje do jedineho riesenia. Sucasne kvantove pocitace obahuju chyby, takze nie kazdy vysledok je spravny. Ale ked nechas bezat algoritmus s bludiskom aj 10x za sebou, staci ze ti tu najkrasiu spravnu cestu najde len raz. Hlavne je ze ti ju naslo aj tak stale relativne rychlo. Klasicky pocitac ti da sice spravny vysledok vzdy, ale pri zlozitejsich ulohach sa vysledku nemusis vobec dockat.

Odpovědět


Re: Re: 01

Josef Sysel,2020-08-29 16:28:28

Dík, nádhera, nebo si můžu hodit mincí. :D

Odpovědět


Re: 01

Josef Sysel,2020-08-30 09:26:57

Už jsem na to přišel, jelikož může foton projít jen jednou štěrbinou a měření je realita. Můžeme konstatovat, že 0=0 a 1=1. Z toho plyne, že kvantové počítače nejsou nic jiného než generátory náhodných čísel a jelikož se foton pohybuje rychlostí světla jsou fakt rychlé, protože i nesprávným výpočtem se dá dojít k správnému výsledku generované výsledky obsahují správný výsledek. Ničeho se nebojte vše je jak má být.

Odpovědět


Re: Re: 01

Michal Varga,2020-08-30 22:39:55

Stav 1/0 sucasne nieje ziadny hod mincou. Su to dve paralelne casove osy. To znamena, ze na zaciatku nevies, ktore nausnice kupit manzelke, tak kupis oboje. Nasledne z jej reakcie vytusis, ze tie vysiace sa jej nepacia, ale preferuje kruhy. Tak sa vratis v case a rovno kupis kruhy. Usetril si cas, peniaze a skoncil si s idealnym vysledkom.

Odpovědět


Re: Re: Re: 01

Marek Fucila,2020-09-02 20:28:02

:) dobry priklad. Ja tomu zial zatial rozumiem len na tej urovni, ako by to malo fungovat. Raz sa snad dostanem k podstate - ako vlastne vyzera nejaky algoritmus pre talyto pocitac. Predstavujem si to len ako zadane "zadrotovanie" prepojeni medzi qubitmi. Potom sa dovedu do stavu superpozicie a pri kolapse vlnovej funkcie sa vsetky nastavia na hladany vysledok. Ale mozno mi nejaka podstatna vec stale unika.

Mam ale filozoficku otazku - je nejaky rozdiel medzi qubitom, ktory obsahuje vsetky mozne stavy a qubitom, ktory zatial neobsahuje ziaden stav? Ide mi o to, ze v momente, ked sa superpozicia strati, qubit nadobudne konkretnu hodnotu. Nedalo by sa teda na to pozerat tak, ze dovtedy ziadnu hodnotu nemal? Ze kolaps vlnovej funkcie skratka vybera konkretnu moznost zo vsetkych moznych?

Klasicky bit moze byt ako stvorcek na papieri, kde je napisana 1 alebo 0. Qubit sa interpretuje tak, ze je tam 1 aj 0 sucasne (a nie som si isty, ci nie aj vsetko medzi tym). Nemohol by to byt skratka prazdny stvorcek? Hladam nejaku chybu vo svojej interpretacii. Ak je nejaky dovod, preco je uzitocne tvrdit, ze qubit ma vsetky hodnoty (vsetky moznosti) naraz, a potom uz len jednu, oproti tvrdenie, ze nema nastavene nic, a potom sa tam nieco na pozadi vyberie (zo znameho oboru), tak sa to rad dozviem.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: 01

Michal Varga,2020-09-02 21:15:11

Ja si ten algoritmus predstavujem takto. Hladas najkratsiu cestu z bludiska. Na najblizsej krizovatke odbocis vpravo aj vlavo naraz. To nastavis do prveho quibitu ako superpoziciu. Na dalsej krizovatke zase odbocis oboma smermi, lenze s tym rozdielom, ze je to podmienene tvojim prvotnym rozhodnutim odbocit vpravo. Takze to nastavis do druheho qubitu, ktory kvanovo previazes s prvym quibitom. Cize oba su tak v superpozicii, ale zavisle na sebe. Ked na tretej krizovatke zistis, ze si nasiel cestu z bludiska von, skolabuje ti druhy quibit a nasledne aj prvy quibit. Ty si potom precitas vysledok, ze vpravo, vpravo, vlavo.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: 01

Marek Fucila,2020-09-08 04:47:28

Chapem. Rovnako sa to da potom predstavit tak, ze naviazes prvy qubit na druhy a ten na treti, co predstavuje akukolvek cestu, po ktorej zatial ale nikto nesiel. Ale pri kolapse sa tam kvoli tomu nalinkovaniu vytvori ta najkratsia moznost ako dosledok povedzme najnizsej energie takeho previazaneho trjstavu.
Okrem kvantovych pocitacov existuju aj DNA pocitace. Uz si detaily npamatam, ale pekne to bolo popisane v knihe "Na úsvitu živých strojů". Tam sa hlada najkratsia trasa ako spravna molekula. Povedzme, ze RNA, kde bute vysledok ACA (vlavo, vpravo, vlavo). Superpozicia je v tom, ze v okoli tej vyhladavacej molekuly, coby zadania plava mnozstvo nahodne vygenerovanych molekul, cize vsetky mozne riesenia uz su v roztoku. Ale v roztoku, nie v tom citacom mechanizme/vyhladavacej molekule, alebo ako sa to vlastne volalo. Ta sa nasledne prilepi na hladanu molekulu a mame vysledok.
Inak povedane, kvantovy svet si predstavujem tak, ze tie vsetky moznosti "plavaju niekde okolo" toho qubitu. Zatial qubit nema nastavene nic, kym nedojde ku kolapsu vlnovej funkcie. Akoby fotom bol casticou az ked do niecoho spravne narazi. Tym, ze mu nastavim terc/detektor, vytvorime casticu tam, kde sme ju hldali. Ale to neznamena, ze vsetky mozne castice v tom bode dovtedy boli. Bola tam ta moznost, ze sa tam nieco objavi - vlna.
Ale to je moja interpretacia. Mozno chybna, ale lahsie pre mna stravitelna.:-)

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: 01

Michal Varga,2020-09-15 23:33:57

Myslim ze vasa interpretacia je v sulade s tou mojou. Ak by sme mali aparat, ktory by dokazal vygenerovat vsetky moznosti ako moze vypocet dopadnut, spravny vysledok by sa dal urcit s linearnou narocnostou. Lenze problem klasickych pocitacov je ten, ze kym vygeneruju vsetky moznosti, spotrebuju mnozstvo energie a casu, kdezto u tych kvantovych sa to deje tak nejak prirodzene. Ale superpozicia je skutocna magia, nie je to len taka iluzia, ze mozu nastat dve moznosti, oni totis skutocne nastavaju. V jednom paralelnom svete nastane jedna moznost, v druhom druha a my na konci vypoctu urcime, ktoru z tychto dvoch realit chceme aplikovat do tej nasej.

Odpovědět



Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace