Løsning af materialeproblemer med en kvantecomputer

Kvantecomputere har et enormt potentiale til beregninger ved hjælp af nye algoritmer og involverer mængder data langt ud over kapaciteten i nutidens supercomputere. Mens sådanne computere er blevet bygget, de er stadig i deres vorden og har begrænset anvendelighed til at løse komplekse problemer inden for materialevidenskab og kemi. For eksempel, de tillader kun simulering af egenskaberne ved et par atomer til materialeforskning.

Forskere ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory og University of Chicago (UChicago) har udviklet en metode, der baner vejen til at bruge kvantecomputere til at simulere realistiske molekyler og komplekse materialer, hvis beskrivelse kræver hundredvis af atomer.

Forskerteamet ledes af Giulia Galli, direktør for Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), en gruppeleder i Argonnes afdeling for materialevidenskab og medlem af Center for Molekylær Teknik i Argonne. Galli er også Liew -familieprofessor i elektronisk struktur og simuleringer i Pritzker School of Molecular Engineering og professor i kemi ved UChicago. Hun arbejdede på dette projekt med assistentforsker Marco Govoni og kandidatstuderende He Ma, begge dele af Argonne's Materials Science division og UChicago.

"Vores nyudviklede beregningsmetode, "Sagde Galli, "forbedrer kraftigt nøjagtigheden med eksisterende kvantemekaniske metoder vedrørende beregninger for specifikke defekter i krystallinske materialer, og vi har implementeret det på en kvantecomputer. "

I de sidste tre årtier har kvantemekaniske teoretiske tilgange har spillet en vigtig rolle i forudsigelsen af ​​egenskaber af materialer, der er relevante for kvanteinformationsvidenskab og funktionelle materialer til energianvendelser, omfattende katalysatorer og energilagringssystemer. Imidlertid, disse fremgangsmåder er beregningsmæssigt krævende, og det er stadig udfordrende at anvende dem på komplekse, heterogene materialer.

"I vores forskning udviklede vi en kvanteindlejringsteori, der tillod simulering af 'spin -defekter' i faste stoffer ved at koble kvante- og klassisk computerhardware, "Govoni sagde. Disse typer defekter i faste stoffer har anvendelse på udviklingen af ​​materialer til behandling af kvanteoplysninger og nanoskala -sensing -applikationer langt ud over de nuværende kapaciteter.

"Vores er en kraftfuld fremadrettet strategi inden for computermaterialevidenskab med potentiale til at forudsige egenskaberne af komplekse materialer mere præcist, end de mest avancerede nuværende metoder kan gøre på nuværende tidspunkt, "Tilføjede Govoni.

Teamet testede først kvanteindlejringsmetoden på en klassisk computer, anvende det til beregningerne af egenskaberne ved spin -defekter i diamant og siliciumcarbid. "Tidligere forskere har grundigt undersøgt fejl i både diamant og siliciumcarbid, så vi havde rigelige eksperimentelle data til at sammenligne med vores metodes forudsigelser, "sagde Ma. Den gode overensstemmelse mellem teori og eksperiment gav teamet tillid til deres metodes pålidelighed.

Holdet gik derefter videre for at teste de samme beregninger på en kvantesimulator og til sidst på IBM Q5 Yorktown -kvantecomputeren. Resultaterne bekræftede den høje nøjagtighed og effektivitet af deres kvanteindlejringsmetode, etablering af et springbræt til løsning af mange forskellige slags materialevidenskabelige problemer på en kvantecomputer.

Galli bemærkede, at "Med kvantecomputernes uundgåelige modenhed, vi forventer, at vores tilgang vil være anvendelig til simulering af områder med interesse for molekyler og materialer til forståelse og opdagelse af katalysatorer og nye lægemidler, såvel som vandige opløsninger indeholdende komplekse opløste arter. "

Gallis team er en del af MICCoM, med hovedsæde i Argonne; Chicago Quantum Exchange, med hovedsæde i UChicago; og QISpin -projektet finansieret af Air Force Office of Scientific Research.

Deres forskning udnyttede WEST -softwaren, der er udviklet inden for MICCoM og har gjort brug af flere computerressourcer ud over den offentligt tilgængelige IBM -kvantecomputer:Argonne Leadership Computing Facility og National Energy Research Scientific Computing Center, begge DOE Office of Science brugerfaciliteter; og University of Chicago Research Computing Center.

Teamets arbejde præsenteres i en artikel med titlen "Quantum Simulations of Materials on Near-term Quantum Computer", der vises i juli 2020-udgaven af npj Computational Materials .