Thụy Điển dùng máy tính lượng tử để ứng dụng hóa học

Có nhiều sự trông đợi là các máy tính lượng tử có thể đem đến những khả năng mới để cách mạng hóa sự mô phỏng các quá trình hóa học. Điều này có thể đem lại một tác động lớn lên tất cả, từ phát triển những dược chất mới đến vật liệu mới.

Các nhà khoa học tại ĐH Chalmers mới đây, lần đầu tiên, ở Thụy Điển, đã sử dụng một máy tính lượng tử để thực hiện các phép tính về một trường hợp có thật trong lĩnh vực hóa học.

“Về lý thuyết, các máy tính lượng tử có thể hữu dụng để thao tác trên những trường hợp, nơi các hạt electron và các hạt nhân nguyên tử di chuyển theo những cách thức phức tạp nhất. Nếu như chúng ta có thể học hỏi để khai thác tiềm năng đầy đủ của chúng, chúng ta sẽ có đủ năng lực thúc đẩy những biên giới của tính toán và hiểu biết”, Martin Rahm, phó giáo sư Hóa lý thuyết tại Khoa Hóa học và kỹ thuật hóa học, người dẫn dắt nghiên cứu.

Trong lĩnh vực hóa lượng tử, các quy tắc của cơ học lượng tử đã được sử dụng để khai thác hiểu biết về các phản ứng hoa học có thể xảy ra, nơi các cấu trúc và vật liệu có thể được phát triển và những đặc điểm chúng có thể có. Rất nhiều nghiên cứu được thực hiện với sự hỗ trợ của các siêu máy tính, được xây dựng trên các mạch logic thông thường. Tuy nhiên có giới hạn đối với các tính toán thực hiện trên các máy tính thông thường bởi vì các quy tắc cơ học lượng tử miêu tả hành xử tự nhiên trên cấp độ hạ nguyên tử, nhiều nhà nghiên cứu tin là mộ máy tính lượng tử có thể tốt hơn so với máy tính thông thường trong việc thực hiện các phép toán.

“Phần lớn những điều có trên trái đất này vốn đã là hóa học, ví dụ, các vật mang năng lượng của chúng ta, bên trong các xe ô tô cũ mới, đều được tạo bởi các electron và các hạt nhân nguyên tử được sắp xếp theo những cách khác biệt ở trong các phân tử và vật liệu. Một vài vấn đề chúng ta có thể giải quyết trong lĩnh vực hóa học lượng tử là tính toán xem trong đó những sắp xếp nào thuận lợi hơn, cùng với các đặc điểm của chúng”, Martin Rahm nói.

Một phương pháp mới tối thiểu các lỗi trong tính toán hóa học lượng tử. Đó vẫn là cách đến với các máy tính lượng tử để có thể đạt được điều mà các nhà nghiên cứu vẫn trông đợi. Lĩnh vực nghiên cứu này vẫn còn mới mẻ và các tính toán mô hình nhỏ đang thực hiện vẫn rất phức tạp bởi nhiễu từ bên ngoài các máy tính lượng tử. Tuy nhiên, Martin Rahm và đồng nghiệp của ông đã phát hiện ra một phương pháp mà họ xem như một bước tiến quan trọng. Phương pháp này được gọi là Giảm lỗi ở trạng thái quy chiếu (REM) và thực hiện bàng việc tinh chỉnh các lỗi xuất hiện do nhiễu bằng việc sử dụng các tính toán từ một máy tính lượng tử và máy tính thông thường.

“Nghiên cứu này là một chứng minh khái niệm là phương pháp của chúng tôi có thể cải thiện chất lượng của các tính toán hóa lượng tử. Đây là một công cụ hữu dụng mà chúng tôi sẽ sử dụng dế cải thiện các tính toán của chúng tôi trên các máy tính toán lượng tử trong tương lai”, Martin Rahm nhận xét.

Bài báo “Reference-state error eitigation: A strategy for high accuracy quantum computation of chemistry”, đã được xuất bản trên tạp chí Journal of Chemical Theory and Computation ¹.

Nguyên tắc đằng sau phương pháp này là đầu tiên xem xét một trạng thái tham chiếu bằng miêu tả và giải quyết cùng bài toán trên cả máy tính thông thường và máy tính lượng tử. Trạng thái tham chiếu này đại diện cho một mô tả đơn giản hơn của một phân tử hơn là bài toán nguyên bản hướng đến giải quyết trên máy tính lượng tử. Máy tính thông thường có thể giải quyết phiên bản đơn giản nhất của bài toán này một cách nhanh chóng. Bằng so sánh các kết quả từ hai máy tính, các nhà khoa học có thể có được một ước tính chính xác lỗi do nhiễu gây ra. Sự khác nhau giữa giải pháp của hai máy tính cho vấn đề tham chiếu sau đó có thể được sử dụng để tinh chỉnh lời giải cho bài toán ban đầu, phức tạp hơn khi chạy trên bộ xử lý lượng tử.

Bằng việc kết hợp phương pháp mới với dữ liệu từ máy tính lượng tử Särimner của Chalmersm, các nhà nghiên cứu đã thành công trong tính toán năng lượng bên trongcủa các phân tử nhỏ như hydrogen và lithium hydride. Các tính toán tương đương có thể được thực hiện một cách nhanh chóng trên một máy tính thông thương nhưng phương pháp mới thể hiện một phát triển quan trọng. Đây cũng là lần đầu tiên một tính toán hóa lượng tử được thực hiện trên một máy tính lượng tử ở Thụy Điển ².

“Chúng tôi thấy những khả năng tốt để phát triển hơn nữa phương pháp này để cho phép thực hiện các tính toán của các phân tử lớn hơn và phức tạp hơn, khi máy tính lượng tử thế hệ mới sẵn sàng”, Martin Rahm nói.

Máy tính lượng tử ở Chalmers

Nghiên cứu đã được thực hiện trong mối hợp tác chặt chẽ với các đồng nghiệp ở Khoa Công nghệ Nano và Micro. Họ đã thiết kế các máy tính lượng tử để sử dụng trong nghiên cứu này và giúp thực hiện các đo đạc tinh thế nhưng cần thiết cho các tính toán hóa học.

“Đâychính là việc sử dụng các thuật toán lượng tử thật mà chúng tôi hiểu, cách phần cứng của chúng tôi sẵn sàng hoạt động và cách chúng tôi có thể cải thiện nó. Các tính toán hóa học là một trong những lĩnh vực mà chúng tôi tin là các máy tính lượng tử sẽ hữu dụng, vì vậy sự hợp tác của chúng tôi với nhóm nghiên cứu của Martin Rahm vô cùng giá trị”, Jonas Bylander, phó giáo sư Công nghệ lượng tử tại Khoa Công nghệ Nano và Micro, nói.

Thanh Nhàn tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-04-swedish-quantum-chemistry.html

https://www.miragenews.com/first-ever-application-of-swedish-quantum-990346/

—————————–

1. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jctc.2c00807

2. https://www.chalmers.se/en/current/news/wacqt-new-swedish-quantum-computer-to-be-made-available-to-industry/