Open-Source Bibliothek für Quantenchemie von Google

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OpenFermion: Simulation der Systeme interagierender Elektronen

Die Lösbarkeit von quantenmechanischen Gleichungen erscheint eine große Hürde, seitdem sich Wissenschaftler mit der theoretischen Beschreibung von Molekülen befassen. Durch die Veröffentlichung eines Open-Source basierten Systems will Google das ändern. Mit weltweiten Kooperationspartnern (ETH Zürich, Lawrence Berkeley National Laboratory, University of Michigan, Harvard und Oxford, NASA und viele weitere) entstand das jetzt der Öffentlichkeit vorgestellte alpha-release dieser Plattform: OpenFermion.

nature Nr. 7671 September 2017 – Titel

Googles Erklärung (Auszug): „Indem man einen Computer nach den Gesetzen der Quantenmechanik betreibt, kann man exakte Simulationen der Natur effizient entschlüsseln. Solche Simulationen könnten zu Durchbrüchen in Bereichen wie Photovoltaik, Batterien, neuen Materialien, Pharmazeutika und Supraleitung führen. Und während es zurzeit noch keinen Quantencomputer gibt, der groß genug wäre, um klassisch hartnäckige Probleme in diesen Bereichen zu lösen, werden rasche Fortschritte gemacht. Im vergangenen Jahr hat Google einen Aufsatz veröffentlicht, in dem die erste Quantenberechnung eines Moleküls mit einem supraleitenden Qubit-Quantencomputer beschrieben wird. Aufbauend auf dieser Arbeit skalierte die Quantencomputer-Gruppe von IBM das Experiment auf größere Moleküle, die im vergangenen Monat auf dem Titel von nature erschienen.“

Mit Hilfe dieser Anwendung sollen Forscher und Firmen Fragen in verschiedenen Bereichen der Entwicklung neuer Stoffe und Materialien zu beantworten. Die Methode ermöglicht Simulationen und Modellierung von Verbindungen, zum Beispiel in den Materialwissenschaften oder bei der Entwicklung von Medikamenten, und ihre Eigenschaften zu bewerten. OpenFermion kodiert quantenmechanische Probleme in für Quantencomputer verständliche Algorithmen. Die Plattform nutzt dafür Quantenalgorithmen, die auf klassischen Quantenchemiepaketen aufbauen, die weltweit von Forschern entwickelt und genutzt werden.

  • OpenFermion ist laut Google die erste „Open-Source-Plattform für die Übersetzung von Problemen in Chemie und Materialwissenschaften in Quantenschaltkreise, die auf bestehenden Plattformen ausgeführt werden können“.
  • OpenFermion sei eine Bibliothek zur Simulation der Systeme interagierender Elektronen (Fermionen), welche die Eigenschaften der Materie hervorbrächten.
  • Hauptfunktion von OpenFermion ist es so Google – das elektronische Strukturproblem in einer zweiten Quantisierung zu kodieren und diese Operatoren unter Nutzung verschiedener Isomorphismen zwischen Qubit und Fermionen-Algebren in Spin-Hamilton-Operatoren umzuwandeln.
  • Vor der Entwicklung von OpenFermion hätten Entwickler von Quantenalgorithmen eine beträchtliche Menge an Chemie lernen müssen, damit sie und eine große Menge Codes schreiben konnten, in dem sie andere Codes hackten, um selbst die grundlegendsten Quantensimulationen zusammenzustellen.

Weitere Details zur Alpha-Version enthalte die Arbeit OpenFermion: Die elektronische Strukturpackage für Quantencomputer. Eine Möglichkeit, OpenFermion zu nutzen, wäre ein Werkzeug zum Erzeugen und Kompilieren von physikalischen Gleichungen, die chemische und materielle Systeme in Darstellungen beschreiben, die von einem Quantencomputer interpretiert werden könnten. Die effektivsten Quantenalgorithmen für diese Probleme bauten auf den Fähigkeiten klassischer Quantenchemie-Pakete auf, die von Forschern in der Chemie in Regierungen, Industrie und Wissenschaft verwendet und entwickelt würden.

[note „Die OpenFermion-Kernbibliothek ist in einem Quanten-Programmierungsrahmen agnostisch konzipiert, um die Kompatibilität mit verschiedenen Plattformen sicherzustellen, die von der Community entwickelt werden. Das ermöglicht es OpenFermion, externe Pakete zu unterstützen, welche Spezifikationen für Quantenassemblesprachen für verschiedene Hardwareplattformen kompilieren. Die Google-Forscher „hoffen, dass diese Entscheidung dazu beitragen wird, OpenFermion als Gemeinschaftsstandard für Quantenchemie auf Quantencomputern zu etablieren. Sehen Sie sich OpenFermion-ProjectQ und Forest-OpenFermion an – Plug-ins, die OpenFermion mit der extern entwickelten Schaltungssimulation und Kompilierungsplattformen verbinden, die als ProjectQ und Forest bekannt sind, um zu sehen, wie OpenFermion mit verschiedenen Quantenprogrammierungs-Frameworks verwendet wird.“]

Der folgende Arbeitsablauf beschreibt, wie ein Quantenchemiker OpenFermion verwenden könnte, um die Energieoberfläche eines Moleküls zu simulieren (zum Beispiel, indem er die Art der Quantenberechnung vorbereitet, die wir in unserem Blogpost beschrieben haben):

  1. Der Forscher initialisiert eine OpenFermion-Berechnung mit Angabe
    – einer Eingabedatei, welche die Koordinaten der Kerne im Molekül angibt,
    – des Basissatzes (z. B. cc-pVTZ), der verwendet werden sollte, um das Molekül zu diskretisieren,
    – der Ladungs- und Spinmultiplizität (falls bekannt) des Systems.
  2. Der Forscher verwendet das OpenFermion-Psi4- oder das OpenFermion-PySCF-Plugin, um skalierbare klassische Berechnungen durchzuführen, die verwendet werden, um die Quantenberechnung optimal zu inszenieren. Zum Beispiel könnte man eine klassische Hartree-Fock-Berechnung durchführen, um einen guten Anfangszustand für die Quantensimulation zu wählen.
  3. Der Forscher spezifiziert dann, welche Elektronen auf einem Quantencomputer (bekannt als ein aktiver Raum) am interessantesten sind, und bittet OpenFermion, die Gleichungen für diese Elektronen auf eine für Quantenbits geeignete Darstellung abzubilden, indem er eine der verfügbaren Prozeduren in OpenFermion verwendet, z. die Bravyi-Kitaev-Transformation.
  4. Der Forscher wählt einen Quantenalgorithmus aus, um die interessierenden Eigenschaften zu lösen, und verwendet ein Quantenkompilierungsgerüst wie OpenFermion-ProjectQ, um die Quantenschaltung in Assemblersprache auszugeben, die auf einem Quantencomputer ausgeführt werden kann. Wenn der Forscher Zugang zu einem Quantencomputer hat, führen sie das Experiment aus.

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