Nếu các nguyên tử cấu tạo nên một phân tử hoặc vật liệu rắn cụ thể, thì tương tác giữa các nguyên tử đó có thể được xác định bằng máy tính. Điều này được thực hiện bằng cách giải các phương trình cơ học lượng tử, nếu phân tử đó nhỏ và đơn giản. Tuy nhiên, việc giải các phương trình này rất quan trọng đối với các lĩnh vực từ kỹ thuật vật liệu đến thiết kế thuốc, đòi hỏi thời gian tính toán cực kỳ dài đối với các phân tử và vật liệu phức tạp.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) và Trường Kỹ thuật phân tử Pritzker (PME) và Khoa Hóa học tại Đại học Chicago đã khám phá khả năng giải quyết các cấu trúc điện tử này bằng máy tính lượng tử.

Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp tính toán mới, đã được công bố trực tuyến trên Tạp chí Lý thuyết và Tính toán Hóa học. Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Q-NEXT, một Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Thông tin Lượng tử Quốc gia của DOE do Argonne đứng đầu và bởi Trung tâm Vật liệu Tính toán Tích hợp Trung Tây (MICCoM).

Giulia Galli, người đứng đầu nghiên cứu cùng với Marco Govoni, một nhà khoa học nhân viên tại Argonne và là thành viên của Hiệp hội Khoa học và Kỹ thuật Tiên tiến (CASE), cho biết: “Đây là một bước thú vị hướng tới việc sử dụng máy tính lượng tử để giải quyết các vấn đề thách thức trong hóa học tính toán”.

Một thách thức trong tính toán

Dự đoán cấu trúc điện tử của vật liệu liên quan đến việc giải các phương trình phức tạp xác định cách các electron tương tác, cũng như mô hình hóa mức độ khác nhau của các cấu trúc có thể so sánh với nhau trong mức năng lượng tổng thể của chúng.

Không giống như các máy tính thông thường lưu trữ thông tin ở dạng bit nhị phân, máy tính lượng tử sử dụng các qubit có thể tồn tại ở trạng thái chồng chất, cho phép chúng giải quyết một số vấn đề dễ dàng và nhanh chóng hơn. Các nhà hóa học điện toán đã tranh luận liệu và khi nào máy tính lượng tử cuối cùng có thể giải quyết vấn đề cấu trúc điện tử của vật liệu phức tạp tốt hơn máy tính thông thường. Tuy nhiên, máy tính lượng tử ngày nay vẫn còn tương đối nhỏ và tạo ra dữ liệu nhiễu.

Mặc dù máy tính lượng tử có những điểm yếu này, Galli và các đồng nghiệp vẫn tự hỏi liệu họ có thể đạt được tiến bộ trong việc tạo ra các phương pháp tính toán lượng tử cơ bản cần thiết để giải các bài toán cấu trúc điện tử trên máy tính lượng tử hay không.

Govoni nói: “Câu hỏi mà chúng tôi thực sự muốn giải quyết là có thể làm gì với tình trạng hiện tại của máy tính lượng tử. Chúng tôi đã đặt câu hỏi: Ngay cả khi kết quả của máy tính lượng tử rất ồn ào, liệu chúng có còn hữu ích để giải quyết các vấn đề thú vị trong khoa học vật liệu không?”

Một quá trình lặp đi lặp lại

Các nhà nghiên cứu đã thiết kế một quy trình mô phỏng lai, sử dụng máy tính lượng tử của IBM. Theo cách tiếp cận của họ, một số lượng nhỏ qubit, từ bốn đến sáu qubit thực hiện một phần phép tính và kết quả sau đó được xử lý thêm bằng máy tính cổ điển.

Benchen Huang, một sinh viên tốt nghiệp tại Tập đoàn Galli và là tác giả đầu tiên của bài báo mới cho biết: “Chúng tôi đã thiết kế một quy trình tính toán lặp đi lặp lại để tận dụng thế mạnh của cả máy tính lượng tử và máy tính thông thường”.

Sau vài lần lặp lại, quy trình mô phỏng đã có thể cung cấp các cấu trúc điện tử chính xác của một số khuyết tật spin trong vật liệu trạng thái rắn. Ngoài ra, nhóm đã phát triển một phương pháp giảm thiểu lỗi mới để giúp kiểm soát tiếng ồn vốn có do máy tính lượng tử tạo ra và đảm bảo độ chính xác của kết quả.

Gợi ý về tương lai

Hiện tại, các cấu trúc điện tử được giải bằng cách sử dụng phương pháp tính toán lượng tử mới đã có thể được giải bằng máy tính thông thường. Do đó, cuộc tranh luận lâu nay về việc liệu máy tính lượng tử có thể vượt trội hơn máy tính cổ điển trong việc giải quyết các vấn đề về cấu trúc điện tử hay không vẫn chưa được giải quyết.

Tuy nhiên, kết quả do phương pháp mới cung cấp đã mở đường cho máy tính lượng tử xử lý các cấu trúc hóa học phức tạp hơn. Huang cho biết: “Khi chúng tôi mở rộng quy mô này lên tới 100 qubit thay vì 4 hoặc 6, chúng tôi nghĩ rằng mình có thể có lợi thế hơn so với các máy tính thông thường. Nhưng chỉ có thời gian mới trả lời chắc chắn được”.

Nhóm nghiên cứu có kế hoạch tiếp tục cải thiện và nhân rộng phương pháp của họ, cũng như sử dụng nó để giải quyết các loại vấn đề điện tử khác nhau, chẳng hạn như phân tử khi có mặt dung môi, phân tử và vật liệu ở trạng thái kích thích.

Mỹ Linh