Grow, Compress, and Perturb: A Hybrid Quantum-Classical Pathway to Scalable Quantum Chemistry on Quantum Computers
यह शोध पत्र VULCAN को प्रस्तुत करता है, जो एक हाइब्रिड क्वांटम-क्लासिकल फ्रेमवर्क है जो वेरिएशनल डबल ब्रैकेट फ्लो के माध्यम से हैमिल्टोनियन-ग्रेडिएंट-फ्री ऑपरेटर जनरेशन, एक ग्रो-देन-कंप्रेस सर्किट ऑप्टिमाइज़ेशन रणनीति, और स्टोकेस्टिक एपस्टीन-नेस्बेट परटर्बेशन थ्योरी को संयोजित करता है ताकि मौजूदा विधियों जैसे कि बैचड ADAPT-VQE की तुलना में काफी कम मेजरमेंट लागत और क्यूबिट आवश्यकताओं के साथ क्वांटम केमिस्ट्री सिमुलेशन में केमिकल एक्यूरेसी प्राप्त की जा सके।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
परमाणु कैसे बंधकर अणु बनाते हैं, इसे समझने की खोज विज्ञान की सबसे मौलिक चुनौतियों में से एक है। सरल अणुओं के लिए, शास्त्रीय कंप्यूटर (classical computers) उनके इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा की गणना बहुत सटीकता से कर सकते हैं। हालाँकि, जैसे-जैसे अणु बड़े होते जाते हैं या उनके इलेक्ट्रॉन जटिल तरीकों से परस्पर क्रिया करते हैं, गणितीय कठिनाई अत्यधिक बढ़ जाती है। संभावित इलेक्ट्रॉन व्यवस्थाओं की संख्या इतनी तेजी से बढ़ती है कि दुनिया के सबसे शक्तिशाली सुपरकंप्यूटर भी कई महत्वपूर्ण रासायनिक प्रणालियों के लिए समीकरणों को सटीक रूप से हल नहीं कर सकते। इस सीमा ने लंबे समय से नई दवाओं, सामग्रियों और ईंधनों को डिजाइन करने की प्रगति को बाधित किया है।
क्वांटम कंप्यूटर इस दीवार से बचने का एक संभावित तरीका प्रदान करते हैं। सूचना के बिट्स के साथ इलेक्ट्रॉनों का अनुकरण करने के बजाय, ये मशीनें क्वांटम बिट्स या क्वबिट्स (qubits) का उपयोग करती हैं, जो स्वाभाविक रूप से इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार की नकल कर सकते हैं। सैद्धांतिक रूप से, एक क्वांटम कंप्यूटर किसी अणु की ऊर्जा का पूर्णतः सटीक मॉडल बना सकता है। फिर भी, आज उपलब्ध क्वांटम कंप्यूटर छोटे हैं और त्रुटियों के प्रति संवेदनशील हैं, जिसे 'नॉइजी इंटरमीडिएट-स्केल एरा' (noisy intermediate-scale era) कहा जाता है। वे पूर्ण सटीकता के लिए आवश्यक गहरे और जटिल गणनाओं को चलाने में सक्षम नहीं हैं। इन अपूर्ण मशीनों के साथ काम करने के लिए, वैज्ञानिकों ने हाइब्रिड विधियाँ विकसित की हैं जो कार्य को एक शास्त्रीय कंप्यूटर और एक क्वांटम कंप्यूटर के बीच विभाजित करती हैं। इनमें से सबसे लोकप्रिय विधि, जिसे 'वेरिएशनल क्वांटम आइजनसोल्वर' (Variational Quantum Eigensolver) कहा जाता है, एक गणितीय मॉडल को चरण-दर-चरण बनाकर न्यूनतम ऊर्जा अवस्था खोजने का प्रयास करती है। हालाँकि, यह प्रक्रिया एक बाधा बन गई है। वर्तमान सर्वोत्तम विधियों के लिए अगला कदम तय करने के लिए कंप्यूटर को हजारों माप (measurements) लेने की आवश्यकता होती है, जो एक धीमी, शोर वाली प्रक्रिया है और अक्सर सही उत्तर खोजने से पहले स्थानीय त्रुटियों (local errors) में फंस जाती है।
शोधकर्ताओं के एक दल ने इन बाधाओं को दूर करने के लिए VULCAN नामक एक नया दृष्टिकोण पेश किया है। उनकी विधि क्वांटम मॉडल बनाने की रणनीति को बदल देती है। एक बार में एक छोटा हिस्सा जोड़ने और अगले हिस्से को चुनने के लिए ऊर्जा ग्रेडिएंट (energy gradient) को मापने के लिए रुकने के बजाय, VULCAN मॉडल को बड़े, पूर्ण स्तरों (layers) में विकसित करता है। यह एक गणितीय प्रवाह समीकरण (flow equation) का उपयोग करता है ताकि विशिष्ट बिल्डिंग ब्लॉक्स का एक सेट तैयार किया जा सके जो अध्ययन किए जा रहे अणु के लिए प्रासंगिक होने की गारंटी देते हैं। इन ब्लॉक्स की एक पूरी परत को एक साथ जोड़ने से, एल्गोरिदम ऑपरेटरों का चयन करने के लिए ऊर्जा ग्रेडिएंट को मापने की आवश्यकता को समाप्त कर देता है, जिससे मापों की संख्या में भारी कमी आती है। यह बदलाव सिस्टम को पिछले तरीकों के माप लागत के केवल एक अंश में रासायनिक रूप से सटीक उत्तर तक पहुँचने में सक्षम बनाता है।
शोधकर्ताओं ने हाइड्रोजन परमाणुओं की श्रृंखलाओं और पानी तथा प्रोपीन जैसे अधिक जटिल यौगिकों सहित विभिन्न अणुओं पर इस रणनीति का परीक्षण किया। अपने सिमुलेशन में, इस नई विधि ने मौजूदा अग्रणी तकनीक की आवश्यक माप संसाधनों के केवल 5 से 20 प्रतिशत का उपयोग करके वांछित सटीकता प्राप्त की। कुछ अधिक कठिन, फैले हुए आणविक आकारों के लिए, यह सुधार और भी नाटकीय था। टीम ने क्वांटम सर्किटों को कंप्रेस (compress) करने का एक तरीका भी विकसित किया, जिससे अनावश्यक चरणों को हटाकर गणनाओं को आज की त्रुटि-प्रवण मशीनों के लिए पर्याप्त छोटा रखा जा सके। इसके अलावा, उन्होंने दिखाया कि वर्तमान हार्डवेयर द्वारा प्रदान किए जाने वाले क्वबिट्स से अधिक क्वबिट्स की आवश्यकता वाले बड़े सिस्टम के लिए, वे समस्या को अणु के एक छोटे, सरल संस्करण पर प्रोजेक्ट कर सकते हैं बिना आवश्यक भौतिकी को खोए। इसने उन्हें एक 20-क्वबिट रजिस्टर पर 26-क्वबिट की समस्या को हल करने और यहाँ तक कि 32-क्वबिट सिस्टम को भी संभालने में सक्षम बनाया जहाँ पुरानी विधियाँ आवश्यक सटीकता तक पहुँचने में विफल रही थीं।
बचे हुए छोटे त्रुटियों को संभालने के लिए, बिना क्वांटम सर्किट को गहरा किए, टीम ने एक अंतिम चरण जोड़ा जो पूरी तरह से एक शास्त्रीय कंप्यूटर द्वारा किया जाता है। यह चरण 'पर्टरबेशन थ्योरी' (perturbation theory) पर आधारित एक सुधार लागू करता है, जो भौतिकी की एक मानक तकनीक है जो छोटे, उपेक्षित अंतःक्रियाओं के प्रभाव का अनुमान लगाती है। क्वांटम गणना को इस शास्त्रीय सुधार के साथ जोड़कर, उन्होंने एक एकल लेयर के क्वांटम सर्किट में 32-क्वबिट सिस्टम के लिए रासायनिक सटीकता प्राप्त की। यह परिणाम बताता है कि गणना के सबसे कठिन हिस्से को शास्त्रीय प्रोसेसर पर ऑफलोड किया जा सकता है, जिससे क्वांटम कंप्यूटर कम काम करते हुए भी सटीक परिणाम दे सकता है।
32 लॉजिकल क्वबिट्स तक के उच्च-प्रदर्शन सिमुलेशन से प्राप्त निष्कर्ष यह प्रदर्शित करते हैं कि क्वांटम रसायन विज्ञान के लिए एक अलग आर्किटेक्चर संभव है। VULCAN ढांचा वर्तमान विधियों के भारी माप भार के बदले समाधान को परतों (layers) में विकसित करने, परिणाम को कंप्रेस करने और शास्त्रीय सुधार के साथ समाप्त करने की रणनीति अपनाता है। हालाँकि ये परिणाम वर्तमान में शोर रहित (noiseless) सिमुलेशन पर आधारित हैं और अभी तक भौतिक हार्डवेयर पर पूरी तरह से तैनात नहीं किए गए हैं, फिर भी वे एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं कि भविष्य के क्वांटम कंप्यूटर रासायनिक समस्याओं को कैसे हल कर सकते हैं जो वर्तमान में पहुंच से बाहर हैं। यह कार्य सुझाव देता है कि क्वांटम एल्गोरिदम को बनाने के तरीके को बदलकर, वैज्ञानिक आज की मशीनों पर उपलब्ध सीमित संसाधनों का बेहतर उपयोग कर सकते हैं, जिससे क्वांटम रसायन विज्ञान का वादा वास्तविकता के करीब आ जाता है।
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