Tiefe der Quanten-Schaltkreise, die für die Implementierung der Quantenalgorithmen QAOA (NISQ) (links) und QPE (FTQC) erforderlich ist: Im Vergleich zur konventionellen Technologie reduzierte die Classiq-Plattform die Schaltkreislänge um bis zu 54 % respektive 97 %. (Bild: Classiq)
Die gemeinsame Forschung von Classiq, Deloitte Tohmatsu und Mitsubishi Chemical zielt darauf ab, mit Quantencomputern neue organische, elektrolumineszierende Materialen zu entdecken. Dabei gelang es, zwei Quantenalgorithmen deutlich effizienter zu implementieren. Einer der beiden Quantenalgorithmen erreichte eine Schaltkreiskomprimierung von bis zu 97 Prozent und der andere von bis zu 54 Prozent. Um einen Algorithmus auf einem Quantencomputer auszuführen, muss dieser als Quanten-Schaltkreis geschrieben werden. Je länger und komplexer ein solcher Schaltkreis ist, desto größer ist das Risiko von Fehlern während der Berechnung.
Die drei Unternehmen konnten demonstrieren, wie sich die Rechengenauigkeit bei der quanten-gestützten Materialforschung verbessern lässt. Die verwendeten Methoden lassen sich auch auf Bereiche abseits der Chemie und der Materialforschung anwenden und sind damit für den frühen praktischen Einsatz von Quantencomputern in vielen Bereichen relevant.
Zudem sollen die aktuellen Fortschritte in der Fehlerkorrekturtechnologie Quantencomputer zuverlässiger machen und dadurch die Ausführung längerer, komplexerer Quantenalgorithmen ermöglichen. Daher sehen Classiq, Deloitte und Mitsubishi die Komprimierung von Quanten-Schaltkreisen als zunehmend wichtig für die praktische Anwendung von Quantencomputern.
Praxistaugliche Quantencomputer
Deloitte verwendete für das Experiment proprietäre Daten aus der Praxis, die Mitsubishi zur Verfügung stellte. Mitsubishi selbst forscht bereits länger daran, Quantencomputer für die Materialforschung zu erschließen. Für dieses Experiment kam zudem die Plattform von Classiq zum Einsatz, um zu demonstrieren, dass komprimierte Quanten-Schaltkreisen die Entwicklung neuer Materialien erleichtern können.
Des Weiteren hat Mitsubishi Chemical bereits den sogenannten Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) für die Entwicklung organischer, elektrolumineszierender Materialen erprobt. Dabei beeinträchtigte erhöhtes Rauschen die Rechengenauigkeit des Quantencomputers. Daraus ging die Zusammenarbeit der drei Unternehmen hervor, um mit komprimierten Quanten-Schaltkreisen Quantencomputer für die Chemieindustrie praxistauglich zu machen.
Die Ergebnisse im Detail
Für die Implementierung übernahm Deloitte Tohmatsu die Projektplanung und -durchführung, während Classiq die Demonstration der Verfahren unterstützte. Mitsubishi Chemical stellte die benötigten Daten bereit und fungierte als beratender Partner bei den Experimenten.
Zur Anwendung kamen zwei verschiedene Quantenalgorithmen: QAOA und der sogenannte Quantum-Phase-Estimation-Algorithmus (QPE), der besonders von den aktuellen Fortschritten bei der Fehlertoleranz profitiert. Die Programmierung der Algorithmen fand mit der von Classiq entwickelten Programmiersprache Qmod (Quantum Modeling Language) statt und die Implementierung lief über die Classiq-Plattform.
Im Vergleich zur zuvor von Mitsubishi Chemical durchgeführten herkömmlichen Implementierung ließen sich signifikante Komprimierungen erreicht werden. Beim QAOA war der verwendete Quanten-Schaltkreis um bis zu 54 Prozent kürzer – beim QPE-Algorithmus lag der Bestwert sogar bei 97 Prozent.