Kvanteberegning gør det muligt for simuleringer at optrevle mysterier af magnetiske materialer

Et multiinstitutionelt team blev det første til at generere nøjagtige resultater fra materialevidenskabelige simuleringer på en kvantecomputer, der kan verificeres med neutronspredningsforsøg og andre praktiske teknikker.

Forskere fra Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory; University of Tennessee, Knoxville; Purdue University og D-Wave Systems udnyttede kraften i kvanteglødning, en form for kvanteberegning, ved at indlejre en eksisterende model i en kvantecomputer.

Karakteriserende materialer har længe været et kendetegn for klassiske supercomputere, som koder information ved hjælp af et binært system af bit, der hver er tildelt en værdi på enten 0 eller 1. Men kvantecomputere – i dette tilfælde, D-Wave's 2000Q - stole på qubits, som kan værdiansættes til 0, 1 eller begge samtidigt på grund af en kvantemekanisk evne kendt som superposition.

"Den underliggende metode bag løsning af materialevidenskabelige problemer på kvantecomputere var allerede blevet udviklet, men det var alt sammen teoretisk sagde Paul Kairys, en studerende ved UT Knoxvilles Bredesen Center for Interdisciplinary Research and Graduate Education, der ledede ORNLs bidrag til projektet. "Vi udviklede nye løsninger til at muliggøre materialesimuleringer på kvanteenheder i den virkelige verden."

Denne unikke tilgang beviste, at kvanteressourcer er i stand til at studere den magnetiske struktur og egenskaber af disse materialer, hvilket kunne føre til en bedre forståelse af spin væsker, spin -is og andre nye faser af stof, der er nyttige til datalagring og spintronics -applikationer. Forskerne offentliggjorde resultaterne af deres simuleringer - som matchede teoretiske forudsigelser og lignede meget eksperimentelle data - i PRX Quantum .

Til sidst, kraften og robustheden af ​​kvantecomputere kunne gøre det muligt for disse systemer at udkonkurrere deres klassiske modstykker med hensyn til både nøjagtighed og kompleksitet, give præcise svar på materialevidenskabelige spørgsmål i stedet for tilnærmelser. Imidlertid, kvantehardware-begrænsninger gjorde tidligere sådanne undersøgelser svære eller umulige at gennemføre.

For at overvinde disse begrænsninger, forskerne programmerede forskellige parametre ind i Shastry-Sutherland Ising-modellen. Fordi det deler slående ligheder med de sjældne jordarters tetraborider, en klasse af magnetiske materialer, efterfølgende simuleringer ved hjælp af denne model kunne give væsentlig indsigt i disse håndgribelige stoffers adfærd.

"Vi er opmuntrede over, at den nye kvanteudglødningsplatform direkte kan hjælpe os med at forstå materialer med komplicerede magnetiske faser, selv dem, der har flere fejl, " sagde medkorresponderende forfatter Arnab Banerjee, en adjunkt på Purdue. "Denne evne vil hjælpe os med at forstå virkelige materialedata fra en række neutronspredning, eksperimenter med magnetisk modtagelighed og varmekapacitet, hvilket ellers kan være meget svært."

Magnetiske materialer kan beskrives i form af magnetiske partikler kaldet spins. Hvert spin har en foretrukken orientering baseret på adfærden af ​​dets nabospil, men sjældne jordarters tetraborider er frustrerede, hvilket betyder, at disse orienteringer er uforenelige med hinanden. Som resultat, spins er tvunget til at gå på kompromis med en kollektiv konfiguration, fører til eksotisk adfærd såsom fraktioneret magnetiseringsplateauer. Denne ejendommelige adfærd opstår, når et påført magnetfelt, som normalt får alle spins til at pege i én retning, påvirker kun nogle spins på den sædvanlige måde, mens andre peger i modsat retning i stedet.

Ved at bruge en Monte Carlo-simuleringsteknik drevet af kvanteudviklingen af ​​Ising-modellen, holdet evaluerede dette fænomen i mikroskopiske detaljer.

"Vi fandt på nye måder at repræsentere grænserne på, eller kanter, af materialet for at narre kvantecomputeren til at tro, at materialet faktisk var uendeligt, og det viste sig at være afgørende for korrekt besvarelse af materialevidenskabelige spørgsmål, " sagde co-korresponderende forfatter Travis Humble. Humble er en ORNL-forsker og vicedirektør for Quantum Science Center, eller QSC, et DOE Quantum Information Science Research Center oprettet på ORNL i 2020. De personer og institutioner, der er involveret i denne forskning, er QSC -medlemmer.

Kvanteressourcer har tidligere simuleret små molekyler for at undersøge kemiske eller materielle systemer. Endnu, at studere magnetiske materialer, der indeholder tusindvis af atomer, er muligt på grund af størrelsen og alsidigheden af ​​D-Waves kvanteenhed.

"D-Wave-processorer bliver nu brugt til at simulere magnetiske systemer af praktisk interesse, ligner rigtige forbindelser. Dette er en stor sag og tager os fra notesblokken til laboratoriet, "sagde Andrew King, direktør for performance research hos D-Wave. "Det ultimative mål er at studere fænomener, der er uoverskuelige for klassisk databehandling og uden for rækkevidde af kendte eksperimentelle metoder."

Forskerne forventer, at deres nye simuleringer vil tjene som grundlag for at strømline fremtidige indsatser på næste generations kvantecomputere. I mellemtiden, de planlægger at udføre relateret forskning gennem QSC, fra at teste forskellige modeller og materialer til at udføre eksperimentelle målinger for at validere resultaterne.

"Vi gennemførte den størst mulige simulering for denne model på den største kvantecomputer, der var tilgængelig på det tidspunkt, og resultaterne demonstrerede det betydelige løfte om at bruge disse teknikker til materialevidenskabelige studier fremadrettet, " sagde Kairys.