Wetenschappers hebben een innovatieve methode ontwikkeld om de beperkingen van de huidige generatie quantumcomputers te omzeilen. Het nieuwe raamwerk maakt het mogelijk om de grondtoestandenergie van moleculen te bepalen op zogenaamde Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ)-apparaten, hardware die normaal gesproken te gevoelig is voor ruis om complexe berekeningen accuraat uit te voeren.
Centraal in dit probleem staat het Quantum Phase Estimation (QPE) algoritme. Hoewel QPE essentieel is voor het schatten van moleculaire energieën, vereist het in zijn oorspronkelijke vorm zeer diepe quantumcircuits. Deze circuits zijn momenteel onuitvoerbaar omdat de decoherentie en ruis in de hardware de berekeningen verstoren voordat ze voltooid zijn. Om dit op te lossen, hebben Mousumi Kundu en haar team een analytisch onderbouwd "variational surrogate"-raamwerk geïntroduceerd.
In plaats van het volledige, complexe QPE-circuit te implementeren, maken de onderzoekers gebruik van een ondiep Variational Quantum Circuit (VQC). Dit compacte circuit wordt getraind om de meetdistributie van de QPE te reproduceren. Een cruciale innovatie hierbij is dat het trainingsdoel niet via een zware simulatie wordt bepaald, maar klassiek wordt berekend met behulp van de Dirichlet-kern. Volgens de publicatie op arxiv.org is deze berekening direct gebaseerd op de Full Configuration Interaction (FCI) grondtoestandenergie, de tijdsevolutieparameter en het aantal hulpqubits.
Deze aanpak elimineert de exponentiële schaalbaarheidsproblemen die eerdere surrogate-methoden hinderden. Hierdoor wordt het proces aanzienlijk efficiënter en beter schaalbaar voor de huidige hardware. In een gedetailleerde analyse van themoonlight.io wordt toegelicht dat dit raamwerk specifiek is ontworpen om de fysieke beperkingen van NISQ-systemen te omzeilen door de complexiteit van de circuits drastisch te verminderen.
Om de theoretische claims te staven, is het model getest met het waterstofmolecuul ($ ext{H}_2$) op hardware van IBM Quantum. De validatie verliep in vier fasen. Eerst werd gezocht naar de optimale structuur van de ansatz, waarbij lineaire entanglers de voorkeur kregen boven volledige entanglers. Ook werd de impact van XpXm Dynamical Decoupling (DD) onderzocht om ruis te minimaliseren. Vervolgens werd de diepte van het VQC gevarieerd; verrassend genoeg bleek een diepte van slechts één laag optimaal te zijn wanneer men rekening hield met de aanwezige hardware-ruis.
De resultaten van deze experimenten zijn veelbelovend voor de praktische toepassing van quantumchemie. Zoals beschreven via chatpaper.com, slaagt het raamwerk erin om de QPE-metingen getrouw na te bootsen met een lineair schalend VQC. Het meest significante resultaat is dat de grondtoestandenergie kon worden hersteld binnen de drempel van chemische nauwkeurigheid, die vastgesteld is op 1 kcal/mol.
Hoewel de optimalisatie van quantumcircuits een breder onderzoeksveld is, biedt deze specifieke analytische benadering een hardware-efficiënt alternatief. In tegenstelling tot methoden die beschreven worden in bredere medische of natuurkundige databases zoals nlnih.gov, richt dit onderzoek zich specifiek op het overbruggen van de kloof tussen theoretische quantumalgoritmen en de huidige imperfecte hardware. Hiermee wordt een route geopend om quantumcomputers reeds nu in te zetten voor materiaalkunde en chemische fysica, zonder te hoeven wachten op volledig fouttolerante systemen.