Los científicos del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. (NRL) han publicado el algoritmo Cascaded Variational Quantum Eigensolver (CVQE) en una reciente Investigación de revisión física artículo. Se espera que el algoritmo se convierta en una poderosa herramienta para investigar las propiedades físicas de los sistemas electrónicos.
El algoritmo CVQE es una variante del algoritmo Variational Quantum Eigensolver (VQE) que solo requiere la ejecución de un conjunto de circuitos cuánticos una vez en lugar de cada iteración durante el proceso de optimización de parámetros, aumentando así el rendimiento computacional.
"Ambos algoritmos producen un estado cuántico cercano al estado fundamental de un sistema, que se utiliza para determinar muchas de las propiedades físicas del sistema", dijo John Stenger, Ph.D., físico investigador de la Sección de Química Teórica. "Los cálculos que antes llevaban meses ahora se pueden realizar en horas."
El algoritmo CVQE utiliza una computadora cuántica para probar las funciones de probabilidad de masa necesarias y una computadora clásica para realizar los cálculos restantes, incluida la minimización de energía.
"Encontrar la energía mínima es computacionalmente difícil ya que el tamaño del espacio de estados crece exponencialmente con el tamaño del sistema", dijo Steve Hellberg, Ph.D., físico investigador de la Sección de Teoría de Materiales Funcionales Avanzados. "A excepción de los sistemas muy pequeños, ni siquiera los superordenadores más potentes del mundo son capaces de encontrar el estado fundamental exacto."
Para afrontar este desafío, los científicos utilizan un ordenador cuántico con un registro de qubits, cuyo espacio de estados también aumenta exponencialmente, en este caso con los qubits. Al representar los estados de un sistema físico en el espacio de estados del registro, se puede utilizar una computadora cuántica para simular los estados en el espacio de representación exponencialmente grande del sistema.
Posteriormente, los datos se pueden extraer mediante mediciones cuánticas. Como las mediciones cuánticas no son deterministas, las ejecuciones del circuito cuántico deben repetirse varias veces para estimar las distribuciones de probabilidad que describen los estados, un proceso conocido como muestreo. Los algoritmos cuánticos variacionales, incluido el algoritmo CVQE, identifican los estados de prueba mediante un conjunto de parámetros optimizados para minimizar la energía.
"La diferencia clave entre el método VQE original y el nuevo método CVQE es que en este último los procesos de muestreo y optimización se han desacoplado de modo que el muestreo se puede realizar exclusivamente en la computadora cuántica y los parámetros procesados exclusivamente en una computadora clásica". afirmó Dan Gunlycke, doctor en filosofía y jefe de la sección de química teórica, quien también dirige el esfuerzo de computación cuántica del NRL.
"El nuevo enfoque también tiene otros beneficios. La forma del espacio de la solución no tiene que cumplir con los requisitos de simetría del registro qubit y, por lo tanto, es mucho más fácil darle forma al espacio de la solución e implementar simetrías del sistema y otros elementos físicos. limitaciones motivadas, que en última instancia conducirán a predicciones más precisas de las propiedades del sistema electrónico", continuó Gunlycke.
La computación cuántica es un componente de la ciencia cuántica, que ha sido designada como Área de Tecnología Crítica dentro de la Visión Tecnológica del USD(R&E) para una Era de Competición por la Subsecretaria de Defensa para Investigación e Ingeniería, Heidi Shyu.
"Comprender las propiedades de los sistemas mecánico-cuánticos es esencial en el desarrollo de nuevos materiales y química para la Armada y la Infantería de Marina", dijo Gunlycke. "La corrosión, por ejemplo, es un desafío omnipresente que le cuesta al Departamento de Defensa miles de millones cada año. El algoritmo CVQE se puede utilizar para estudiar las reacciones químicas que causan la corrosión y proporcionar información crítica a nuestros equipos anticorrosión existentes en su búsqueda para desarrollar mejores recubrimientos y aditivos. ."
Durante décadas, NRL ha estado realizando investigaciones fundamentales en ciencia cuántica, que tiene el potencial de generar tecnologías de defensa disruptivas para precisión, navegación y sincronización; detección cuántica; computación cuántica; y redes cuánticas.
Más información: Daniel Gunlycke et al, Algoritmo de resolución propia cuántica variacional en cascada, Investigación de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevResearch.6.013238
Información de la revista: Investigación de revisión física
Proporcionado por el Laboratorio de Investigación Naval
