양자 알고리즘으로 새 물질 및 화학 개발

미국 해군 연구소(NRL) 과학자들은 최근 물리적 리뷰 연구 기사에서 전자 시스템의 물리적 특성을 조사하는 강력한 도구가 될 것으로 예상되는 계단식 변형 양자 아이겐솔버(CVQE) 알고리즘을 발표했습니다.


CVQE 알고리즘은 매개변수 최적화 과정에서 모든 반복이 아닌 한 번의 양자 회로 세트만 실행하면 되므로 계산 처리량이 증가하는 VQE(Variational Quantum Eigensolver) 알고리즘의 변형입니다.

“두 알고리즘 모두 계의 바닥 상태에 가까운 양자 상태를 만들어내고, 이것은 계의 많은 물리적인 특성들을 결정하는데 사용됩니다”라고 이론 화학 부문 연구 물리학자인 존 스텐거 박사가 말했습니다.

“이전에는 몇 달이 걸렸던 계산을 이제는 몇 시간 안에 수행할 수 있게 되었습니다.”

CVQE 알고리즘은 양자 컴퓨터를 사용하여 필요한 확률 질량 함수를 조사하고 고전 컴퓨터를 사용하여 에너지 최소화를 포함한 나머지 계산을 수행합니다.

“시스템 크기에 따라 상태 공간의 크기가 기하급수적으로 증가하기 때문에 최소 에너지를 찾는 것은 계산적으로 어렵습니다,” 라고 첨단 기능 재료 이론 연구 물리학자인 스티브 헬버그 박사가 말했습니다.

“아주 작은 시스템을 제외하고는, 세계에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터조차도 정확한 지상 상태를 찾을 수 없습니다.”

이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 큐비트 레지스터가 있는 양자 컴퓨터를 사용합니다. 이 경우 큐비트가 있는 상태 공간도 기하급수적으로 증가합니다.

레지스터의 상태 공간에 물리적 시스템의 상태를 표현함으로써 양자 컴퓨터를 사용하여 시스템의 기하급수적으로 큰 표현 공간의 상태를 시뮬레이션할 수 있습니다.

그 후 양자 측정을 통해 데이터를 추출할 수 있습니다. 양자 측정은 결정론적이지 않기 때문에, 양자 회로 실행은 상태를 설명하는 확률 분포를 추정하기 위해 여러 번 반복되어야 합니다. 이 과정을 샘플링이라고 합니다.

CVQE 알고리즘을 포함한 변형 양자 알고리즘은 에너지를 최소화하도록 최적화된 일련의 매개 변수로 시험 상태를 식별합니다.

“원래의 VQE 방법과 새로운 CVQE 방법의 핵심적인 차이점은 후자에서는 샘플링과 최적화 과정이 분리되어 샘플링이 양자 컴퓨터에서만 수행되고 파라미터가 고전 컴퓨터에서만 처리될 수 있다는 것입니다.”라고 NRL 양자 컴퓨팅 노력을 이끄는 이론 화학 부문 책임자인 D. Phil.은 말했습니다.

“이 새로운 접근법은 또 다른 이점들도 가지고 있습니다. 해 공간의 형태는 큐비트 레지스터의 대칭성 요구 사항과 일치할 필요가 없으며, 따라서 해 공간의 형태를 만들고 시스템의 대칭성과 물리적으로 동기가 부여된 다른 제약 조건들을 구현하는 것이 훨씬 쉬우며, 이는 궁극적으로 전자 시스템 특성에 대한 더 정확한 예측으로 이어질 것입니다.”

양자컴퓨팅은 하이디 슈 국방부 연구공학부 차관이 ‘경쟁시대를 위한 미국(R&E) 기술비전’ 내 ‘핵심기술영역’으로 지정한 양자과학의 한 분야입니다.

“양자역학 시스템의 특성을 이해하는 것은 해군과 해병대를 위한 새로운 재료와 화학을 개발하는 데 필수적입니다,” 라고 Gunlycke 가 말했습니다. “예를 들어, 부식은 국방부에 매년 수십억 달러의 비용을 들이는 보편적인 문제입니다. CVQE 알고리즘은 부식을 일으키는 화학 반응을 연구하고 더 나은 코팅과 첨가제를 개발하기 위해 기존의 부식 방지 팀들에게 중요한 정보를 제공하는 데 사용될 수 있습니다.”

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