Symulacje chemicznych układów kwantowych z wykorzystaniem komputerów kwantowych – przegląd algorytmów i ich eksperymentalna weryfikacja

Abstrakt

Symulacje komputerowe wykorzystujące coraz większe moce obliczeniowe i techniki uczenia maszynowego pozwalają obecnie na zaawansowane modelowanie molekularne, symulacje dynamiki molekularnej oraz badania interakcji międzycząsteczkowych. Ze względu jednak na złożoność systemów biologicznych i procesów chemicznych na poziomie molekularnym ich dokładne odwzorowanie z wykorzystaniem klasycznych modeli i technik komputerowych napotyka od wielu lat szereg istotnych ograniczeń. Nowym i obiecującym kierunkiem rozwoju nauk obliczeniowych oraz ich potencjalnych zastosowań w biochemii są komputery kwantowe oraz ich integracja z klasycznymi, wysokowydajnymi systemami superkomputerowymi. Artykuł jest odpowiedzią na rosnące zainteresowanie wykorzystanie dostępnych komputerów kwantowych w przykładowych zastosowaniach aplikacyjnych. W artykule staramy się przybliżyć podstawowe zagadnienia związane z opracowaniem algorytmów i symulacji kwantowych związanych z zagadnieniami na styku chemii kwantowej oraz biochemii. Ponadto artykuł przybliża podstawowe zasady tworzenia symulacji wykorzystujących obecny stan zaawansowania i rozwoju komputerów kwantowych w erze Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ). W artykule przedstawiono również wyniki eksperymentalne algorytmu klasyczno-kwantowego Variational Quantum Eigensolver (VQE) dla przykładowych cząsteczek H₂ i CH⁺. Pomimo wielu niedoskonałości obecnie dostępnych komputerów kwantowych, analizowany algorytm VQE okazał się skuteczny w przybliżaniu stanu podstawowego cząsteczek, wykorzystując minimalną bazę funkcyjną.