사진 1) 출처: 봉황과기(凤凰科技). 사이언스지 표지에 실린 구글 연구성과오늘 구글의 양자 컴퓨터는 Science의 표지에 실렸으며 12 큐 비트를 사용하는 다이아제닐의 이성 질화 반응을 성공적으로 시뮬레이션했다.
구글 양자컴퓨터가 최고의 학술지 표지에 등장한 것은 이번이 두 번째다.
지난해 10 월 Google의 양자 컴퓨터는 '양자 우월성'을 달성해 네이처 표지에 등장했다. 슈퍼 컴퓨팅이 해결하는데 1 만 년이 걸리는 양자 회로 샘플링 문제를 해결하는데 단지 200 초 밖에 걸리지 않았다.
이 양자 컴퓨터는 또 무엇을 할 수 있나? 구글은 화학 분자를 시뮬레이션할 수 있다고 말했었고 1 년도 안되어 해냈다.
사진 2) 출처: 봉황과기(凤凰科技)분자는 양자 역학을 따르기 때문에 양자 계산으로 시뮬레이션하는 것이 더 합리적이다. 더 적은 계산량과 정보로 화학 물질의 특성을 계산할 수 있다.
양자 컴퓨터는 화학 분자를 시뮬레이션 하는데 매우 유용하다. 구글 외에도 양자 컴퓨팅 기술을 가진 다른 회사들도 연구하고 있는데, 마이크로 소프트도 그중 하나다.
지난달 마이크로 소프트는 한 편의 문장을 발표했는데 양자컴퓨팅이 화학자가 이산화탄소를 포름 알데히드로 변환하는 촉매를 찾는 것을 도울 수 있다고 했다. 양자 컴퓨팅과 화학 결합의 응용 전망을 보여주었다.
사진 3) 출처: 봉황과기(凤凰科技)양자 화학은 여전히 양자 컴퓨터를 사용해야 한다.
사진 4) 출처: 봉황과기(凤凰科技)
슈뢰딩거 방정식은 양자 화학의 기초이며 화학 분자가 따르는 기본 법칙이며 방정식을 풀면 물질의 구체적 화학 특성을 얻을 수 있다.
그러나 슈뢰딩거 방정식을 푸는 것은 쉬운 일이 아니며 분자 내의 원자 수가 증가함에 따라 방정식을 풀기위한 계산량이 기하 급수적으로 증가한다. 화학에서 비교적 단순한 벤젠 분자 (C 6 H 6 )를 예로 들어 보면, 원자가 12 개뿐이지만 계산 차원은 10 44 이며 어떤 슈퍼 컴퓨터에서도 이를 처리할 수 없다.
솔루션 프로세스를 단순화하기 위해 컴퓨터가 등장하기 훨씬 전에 Google에서 사용하는 "Hartley-Fokker 방정식"과 같은 몇 가지 근사 방법이 있었다. 그러나 단순화 후에도 계산량이 역시 거대하다.
설상가상으로, 화학 반응 과정, 즉 화학 결합이 해리되면 분자 시스템의 전자 구조가 더욱 복잡해지고 슈퍼 컴퓨터에서 관련 수치 계산을 수행하기가 어렵다.
2018 년에 누군가가 새로운 양자 알고리즘을 제안했다. 계산 복잡성은 더 이상 기하 급수적 인 증가가 아니라 다항식 증가로 계산의 난이도를 크게 줄였다.
알고리즘이 모두 준비되었는데 사용할 수 있는 적절한 양자 컴퓨터만 부족한 상황이었다.
사진 5) 출처: 봉황과기(凤凰科技)
Google 양자 컴퓨터는 화학 반응을 시뮬레이션한다.
작년에 Google의 Sycamore 양자 프로세서는 53 큐 비트의 얽힘을 달성하여 몇 가지 간단한 화학 분자 시뮬레이션을 시도해보았다.
Google은 먼저 6 ~ 10 개의 수소 원자로 구성된 수소 사슬의 결합 에너지를 계산한다. 원시 방법 (아래 그림의 노란색)의 효과는 보통이며, VQE와 같은 알고리즘과 결합한 후 양자 컴퓨터에서 얻은 결과는 실제 값과 거의 일치한다.
사진 6) 출처: 봉황과기(凤凰科技)
이상은 화학 분자의 정태적 과정인데, 구글은 Sycamore를 사용하여 다이아제닐의 이성 질화라는 간단한 화학 반응을 시뮬레이션 했다.
사진 7) 출처: 봉황과기(凤凰科技)cis와 trans 사이의 diazene transition의 에너지 갭은 40.2 millihartris이고 양자 컴퓨터에 의해 주어진 결과는 41 ± 6 millihartris이다.
비록 정확도는 이전의 수소 원자 사슬 시뮬레이션보다 별로 다르지 않지만, 구글은 "화학 반응의 메커니즘을 예측하기 위해 양자 컴퓨터를 사용한 것은 이번이 처음"이라고 말했다.
이 기사의 통신원인 Ryan Babbush는 위의 결과를 양자 컴퓨터없이 시뮬레이션 할 수 있지만, 이 작업은 여전히 양자 컴퓨팅에 있어 큰 진전이라고 말했다.
앞으로 이 알고리즘은 더 복잡한 반응을 시뮬레이션하기 위해 규모가 더 커질 수 있다. 더 큰 분자의 반응을 시뮬레이션하려면 더 많은 큐 비트가 필요하다.
Babbush는 언젠가는 양자 시뮬레이션을 사용하여 새로운 화학 물질을 개발할 수도 있다고 여긴다.
