[논문 리뷰] Quantum Information and Computation for Chemistry

J. Olson, Yudong Cao외 8명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 16.

Various Chemistry Research TopicsChemistry인용 수 18

한 줄 요약

이 NSF 워크숍 보고서는 양자 정보 과학과 화학의 융합 분야에서 최근의 성과와 향후 과제를 종합적으로 다루며, 양자 컴퓨팅이 화학적 시뮬레이션을 혁신적으로 변화시킬 수 있고, 화학 시스템이 양자 기술의 발전에 기여할 수 있음을 강조한다. 이 보고서는 양자 화학, 재료 과학, 그리고 양자 정보 공학 분야에서 이론, 알고리즘, 실험 방법에 걸쳐 핵심적인 상호보완성 관계를 규명한다.

ABSTRACT

The NSF Workshop in Quantum Information and Computation for Chemistry assembled experts from directly quantum-oriented fields such as algorithms, chemistry, machine learning, optics, simulation, and metrology, as well as experts in related fields such as condensed matter physics, biochemistry, physical chemistry, inorganic and organic chemistry, and spectroscopy. The goal of the workshop was to summarize recent progress in research at the interface of quantum information science and chemistry as well as to discuss the promising research challenges and opportunities in the field. Furthermore, the workshop hoped to identify target areas where cross fertilization among these fields would result in the largest payoff for developments in theory, algorithms, and experimental techniques. The ideas can be broadly categorized in two distinct areas of research that obviously have interactions and are not separated cleanly. The first area is quantum information for chemistry, or how quantum information tools, both experimental and theoretical can aid in our understanding of a wide range of problems pertaining to chemistry. The second area is chemistry for quantum information, which aims to discuss the several aspects where research in the chemical sciences can aid progress in quantum information science and technology. The results of the workshop are summarized in this report.

연구 동기 및 목표

• 화학 문제에 응용된 양자 정보 과학의 최근 진전을 요약하는 것, 특히 양자 시뮬레이션과 알고리즘 개발을 포함하여.
• 양자 정보 과학과 화학의 융합 분야에서 고영향력 있는 연구 과제를 규명하는 것.
• 이론, 알고리즘, 실험 기법 분야에서 혁신을 가속화하기 위해 양자 정보 과학자들과 화학자들 간의 다학제적 협력을 촉진하는 것.
• 화학 시스템이 큐비트 및 양자 센서와 같은 양자 기술의 개발에 어떻게 기여할 수 있는지 탐색하는 것.
• 다학제적 협력이 과학적·기술적 성과를 극대화하는 데 가장 효과적인 타겟 분야를 도출하는 것.

제안 방법

• 양자 정보, 화학, 머신 러닝, 광학, 측정학 분야의 전문가들이 참가한 다학제적 워크숍를 개최한 것.
• 분자의 양자 시뮬레이션 분야에서의 이론적 및 실험적 진전을 통합한 것.
• 전자 구조 계산을 위한 양자 알고리즘, 특히 변분 양자 고유값 해법(VQE)과 양자 위상 추정 기법을 평가한 것.
• 화학 측정 및 스펙트로스코피에서 양자 센서와 양자 측정학의 역할을 탐색한 것.
• 양자 정보 처리의 플랫폼으로서의 잠재력이 높은 재료 및 분자 시스템을 식별한 것.
• 양자 정보 과학자들과 화학자들 간의 대화를 촉진하여 연구 목표를 조율하고 기술 이전을 가속화한 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 알고리즘이 화학 양자역학에서 전자 구조 계산의 정확성과 효율성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 단기적인 양자 장치로 해결할 수 있는 가장 유망한 양자 화학 문제는 무엇인가?
• RQ3 분자 시스템과 화학 재료는 어떻게 스케일러블한 양자 정보 처리의 플랫폼이 될 수 있는가?
• RQ4 실용적인 양자 우월성을 화학 시뮬레이션에서 실현하기 위해 극복해야 할 이론적 및 실험적 과제는 무엇인가?
• RQ5 양자 센싱 및 측정학은 화학적·생물학적 측정의 정밀도를 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• VQE 및 양자 위상 추정과 같은 양자 알고리즘은 분자의 전자 구조를 높은 정확도로 시뮬레이션할 잠재력을 보이고 있다.
• 단기적인 양자 장치는 이미 소규모 분자 시스템을 다룰 수 있으며, 확장 가능성은 오류 보정 및 오류 완화 기술의 발전에 달려 있다.
• 분자 및 재료와 같은 화학 시스템은 큐비트 및 양자 센서를 구현하기 위한 실현 가능한 플랫폼을 제공한다.
• 양자 화학과 양자 정보 과학 분야에서 이론, 알고리즘, 실험적 구현 간 격차를 메우기 위해 다학제적 협력이 필수적이다.
• 양자 측정학 및 센싱 기법은 화학 시스템에서 스펙트로스코피 측정의 해상도와 민감도를 크게 향상시킬 수 있다.
• 워크숍에서는 촉매, 에너지 재료, 약물 발견 분야에서 양자 정보 도구를 통해 돌파구를 이룰 수 있는 잠재력이 높은 연구 분야를 식별했다.