Chemical simulations of quantum systems using quantum computers - review of algorithms and their experimental verification

Computer simulations using ever-increasing computing power and machine learning techniques allow advanced molecular modelling, molecular dynamics simulations and studies of intermolecular interactions. However, due to the complexity of biological systems and chemical processes at the molecular level, their accurate representation using classical computer models and techniques has faced a number of significant limitations for many years. A new and promising direction for the development of computational science and its potential applications in biochemistry is quantum computing and its integration with classical high-performance supercomputing systems. This article responds to the growing interest in the use of available quantum computers in exemplary applications. In this paper, we aim to provide an overview of the basic notions involved in the development of quantum algorithms and simulations related to issues at the interface of quantum chemistry and biochemistry. In addition, the article introduces the basic principles of performing simulations using the state-of-the-art quantum computers in the era of Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ). Experimental results of the classical-quantum algorithm Variational Quantum Eigensolver (VQE) for example molecules H2 and CH+ are also presented. Despite the many shortcomings of currently available quantum computers, the analysed VQE algorithm proved to be effective in approximating the ground state of molecules using a minimal functional basis. Symulacje komputerowe wykorzystujące coraz większe moce obliczeniowe i techniki uczenia maszynowego pozwalają obecnie na zaawansowane modelowanie molekularne, symulacje dynamiki molekularnej oraz badania interakcji międzycząsteczkowych. Ze względu jednak na złożoność systemów biologicznych i procesów chemicznych na poziomie molekularnym ich dokładne odwzorowanie z wykorzystaniem klasycznych modeli i technik komputerowych napotyka od wielu lat szereg istotnych ograniczeń. Nowym i obiecującym kierunkiem rozwoju nauk obliczeniowych oraz ich potencjalnych zastosowań w biochemii są komputery kwantowe oraz ich integracja z klasycznymi, wysokowydajnymi systemami superkomputerowymi. Artykuł jest odpowiedzią na rosnące zainteresowanie wykorzystanie dostępnych komputerów kwantowych w przykładowych zastosowaniach aplikacyjnych. W artykule staramy się przybliżyć podstawowe zagadnienia związane z opracowaniem algorytmów i symulacji kwantowych związanych z zagadnieniami na styku chemii kwantowej oraz biochemii. Ponadto artykuł przybliża podstawowe zasady tworzenia symulacji wykorzystujących obecny stan zaawansowania i rozwoju komputerów kwantowych w erze Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ). W artykule przedstawiono również wyniki eksperymentalne algorytmu klasyczno-kwantowego Variational Quantum Eigensolver (VQE) dla przykładowych cząsteczek H2 i CH+. Pomimo wielu niedoskonałości obecnie dostępnych komputerów kwantowych, analizowany algorytm VQE okazał się skuteczny w przybliżaniu stanu podstawowego cząsteczek, wykorzystując minimalną bazę funkcyjną.