Kimyadaki sorunlara yönelik iki popüler kuantum hesaplama algoritması, kuantum donanımı gelişse bile çok sınırlı kullanıma sahip olabilir
Moleküllerin kimyasal özelliklerini hesaplamak kuantum bilgisayarların işi olabilir
İlaç geliştirmeyi veya tarımı ilerletebilecek kuantum kimyası hesaplamaları, son zamanlarda kuantum bilgisayarların umut verici bir “öldürücü uygulaması” olarak ortaya çıktı, ancak yeni bir analiz, durumun pek de öyle olmadığını gösteriyor.
Kuantum bilgisayarların yapımındaki ilerleme son yıllarda büyük ölçüde hızlandı, ancak bu teknolojiye devam eden yatırımı en çok hangi kullanımların haklı çıkaracağı açık bir soru olmaya devam ediyor. Popüler bir yarışmacı, biyotıp veya endüstriyle ilgili moleküllerin enerji seviyelerinin hesaplanması gibi kuantum kimyasındaki problemleri çözmektir. Bu, birçok kuantum parçacığının (moleküldeki elektronlar) davranışının aynı anda hesaba katılmasını gerektirir, dolayısıyla birçok kuantum parçasından oluşan bilgisayarlar için iyi bir eşleşme gibi görünüyor.
Ancak Fransa’daki CEA Grenoble’dan Xavier Waintal ve meslektaşları, bu görev için önde gelen iki kuantum hesaplama algoritmasının aslında en iyi ihtimalle sınırlı kullanıma sahip olabileceğini gösterdi.
Moleküler enerji hesaplamaları için kuantum bilgisayarların kullanılması hakkında “Benim kişisel düşüncem, muhtemelen mahkum olduğu, mahkum olduğu kanıtlanmış değil, ancak muhtemelen mahkum olduğu yönünde” diyor.
Araştırmacılar matematiksel analizlerini iki bölüme ayırdılar; biri hatalara açık olan mevcut kuantum bilgisayarlarla ilgili, diğeri ise “hataya dayanıklı” veya tamamen hataya dayanıklı olacak gelecekteki kuantum bilgisayarlarla ilgili.
Hataya açık veya gürültülü kuantum bilgisayarlar kullanıldığında, moleküler enerji seviyeleri değişken kuantum özçözücü (VQE) algoritmasıyla hesaplanabilir, ancak sonuçlarının doğruluğu gürültünün ne kadar şiddetli olduğuna bağlıdır.
Ekibin analizi, VQE’nin geleneksel bilgisayarlarda çalışabilen kimya algoritmalarıyla doğruluk konusunda rekabet edebilmesi için kuantum bilgisayarların gürültüsünün o kadar ciddi şekilde bastırılması gerektiğini, böylece etkin bir şekilde hataya dayanıklı olmaları gerektiğini buldu. Özellikle, hataya dayanıklı pratik bir kuantum bilgisayarının henüz yapılmamış olması dikkat çekicidir.
Birkaç kuantum bilgisayar şirketi beş yıl içinde hataya dayanıklı kuantum oluşturmayı hedefliyor ve bu cihazlar moleküllerin enerjilerini kuantum faz tahmini (QPE) adı verilen farklı bir algoritmayla hesaplayabiliyor. Burada hata sorunu neredeyse ortadan kaldırılıyor ancak çalışma, “dikgenlik felaketi” gibi meşum bir isimle anılan bir sorunun altını çiziyor.
Basitçe söylemek gerekirse bu, moleküllerin boyutu arttıkça QPE’nin en düşük enerji seviyesini hesaplayabilme olasılığının katlanarak azaldığı anlamına gelir. Sonuç olarak, Fransız kuantum hesaplama şirketi Quobly’den ekip üyesi Thibaud Louvet, harika kuantum bilgisayarlarla bile, bunları QPE’yi çalıştırmak için kullanmanın en pratik ve en iyi seçim olacağı yalnızca az sayıda durum olabileceğini söylüyor. Ona göre, bu algoritmayı çalıştırabilmek, çalışan kimyagerler için dayanak noktası olabilecek bir şeyden ziyade, kuantum bilgisayarların olgunluğunun bir ölçütü olarak görülmelidir.
Çalışmada yer almayan King’s College London’dan George Booth, “Kuantum bilgisayarların bu alandaki geleceğini abartmak kolaydır; pek çok kişi, kuantum bilgisayarların ortaya çıkışının kuantum kimyasına yönelik herhangi bir klasik yaklaşımı anında geçersiz kılacağını düşünüyor” diyor. “Bu çalışmanın, ‘hataya dayanıklı çağ’da bile kalacak olan doğru moleküler simülasyon için önemli zorluklara işaret ettiği ve kuantum kimyasının kuantum bilgisayarlar için gerçekten bu kadar hızlı bir kazanç olup olmadığı konusunda şüphe uyandırdığı açıktır.”
Ancak kuantum bilgisayarların kimyada kullanılabileceği başka yolların da olduğunu söylüyor. Örneğin, kimyasal sistemlerin lazer ışığıyla vurulması gibi rahatsız edildikten sonra nasıl değiştiğini simüle edebilirler.
