Mezinárodní tým vědců, včetně Silvie Illésové z národního superpočítačového centra IT4Innovations při VŠB-Technické univerzitě Ostrava, představil v prestižním časopise Journal of Chemical Theory and Computation nový kvantový algoritmus SA-OO-VQE. Tento algoritmus výrazně usnadňuje simulace molekul, ve kterých se pracuje s více elektronovými stavy najednou. Pouze část algoritmu se přenáší na kvantové procesory, zatímco zbytek se provádí na klasickém počítači. Výpočty běžely i na superpočítačích IT4Innovations.
SA-OO-VQE umožňuje lépe popsat klíčové jevy, jako jsou tzv. kónická křížení – situace, kdy jsou základní a excitovaný stav degenerované, tj. mají stejnou energii. Tyto procesy jsou zásadní například při fotochemických reakcích a mnoha dalších biologických a materiálových procesech.
Algoritmus SA-OO-VQE je navržen tak, aby jej bylo možné spustit i na dnešních kvantových počítačích, tj. na začátku NISQ éry, které mají omezený počet kvantových bitů (qubitů) a výrazně je ovlivňuje kvantový šum, který znesnadňuje přesné výpočty. „Výpočetní úkoly jsou proto rozděleny mezi kvantovou a klasickou architekturu, což pomáhá efektivně překonávat technická omezení,“ vysvětluje Silvie Illésová.
Martin Beseda z Univerzity v L’Aquile (dříve IT4Innovations) doplňuje: „SA-OO-VQE v této nové verzi dokáže ‚přirozeně‘ pracovat s kvazi-diabatickou reprezentací orbitalů. Tento přístup výrazně usnadňuje a zrychluje následné modelování chemických reakcí, protože výsledky není potřeba složitě upravovat, čímž šetří osobní čas výzkumníků i výpočetní zdroje.“
Algoritmus byl úspěšně otestován na molekule formaldiminu, která má známé kónické křížení mezi svým základním a prvním excitovaným elektronovým stavem. „Tento test potvrdil praktickou použitelnost našeho přístupu,“ dodává Silvie Illésová.
Díky této nové metodě mohou vědci lépe simulovat pohyb atomů v molekulách během složitých změn spojených s různými elektronovými stavy. Tento pokrok otevírá cestu k výzkumu složitějších molekul a situací, kdy současně interaguje více elektronových stavů – což je klíčové například pro vývoj nových materiálů, léků či technologií pro uchování energie.
Oborné články
Transformation-Free Generation of a Quasi-Diabatic Representation from the State-Average Orbital-Optimized Variational Quantum Eigensolver
https://doi.org/10.1021/acs.jctc.5c00327
Implementace solveru využívajícího nový algoritmus je popsána v článku na https://www.theoj.org/joss-papers/joss.06036/10.21105.joss.06036.pdf, který byl publikován v časopise Journal of Open Source Software.