Forskere bruger kvantecomputere til at simulere kvantematerialer

Kvantecomputere lover at revolutionere videnskaben ved at muliggøre beregninger, der engang blev anset for umulige. Men for at kvantecomputere skal blive en hverdagsrealitet, er der lang vej igen, og mange udfordrende tests skal bestå.

En af testene involverer brug af kvantecomputere til at simulere materialers egenskaber til næste generations kvanteteknologier.

I en ny undersøgelse fra U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory og University of Chicago udførte forskere kvantesimuleringer af spindefekter, som er specifikke urenheder i materialer, der kunne tilbyde et lovende grundlag for nye kvanteteknologier. Undersøgelsen forbedrede nøjagtigheden af ​​beregninger på kvantecomputere ved at korrigere for støj indført af kvantehardware.

Forskningen blev udført som en del af Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), et DOE datamatmaterialevidenskabsprogram med hovedkvarter i Argonne, samt Q-NEXT, et DOE National Quantum Information Science Research Center.

"Grundene til, at vi laver den slags simuleringer, er for at få en grundlæggende forståelse af materialeegenskaber og også for at fortælle eksperimentelister, hvordan de i sidste ende kan designe materialer til nye teknologier bedre," siger Giulia Galli, professor ved Pritzker School of Molecular Engineering og Instituttet. i kemi ved University of Chicago, seniorforsker ved Argonne National Laboratory, Q-NEXT-samarbejdspartner og direktør for MICCoM. "Eksperimentelle resultater opnået for kvantesystemer er ofte ret indviklede og kan være svære at fortolke. Det er vigtigt at have en simulering for at hjælpe med at fortolke eksperimentelle resultater og derefter fremsætte nye forudsigelser."

Mens kvantesimuleringer i lang tid er blevet udført på traditionelle computere, kan kvantecomputere måske løse problemer, som selv de mest kraftfulde traditionelle computere i dag ikke kan tackle. At nå dette mål er stadig uvist, da forskere omkring arbejdet fortsætter bestræbelserne på at bygge og bruge kvantecomputere

"Vi ønsker at lære at bruge nye beregningsteknologier, der er på vej," sagde Galli, hovedforfatter af papiret. "At udvikle robuste strategier i de tidlige dage af kvanteberegning er et vigtigt første skridt i at kunne forstå, hvordan man bruger disse maskiner effektivt i fremtiden."

At se på spindefekter tilbyder et virkeligt system til at validere kvantecomputeres muligheder.

"Det store flertal af beregninger med kvantecomputere i disse dage er på modelsystemer," sagde Galli. "Disse modeller er interessante i teorien, men at simulere et faktisk materiale af eksperimentel interesse er mere værdifuldt for hele det videnskabelige samfund."

At udføre beregninger af materialers og molekylers egenskaber på kvantecomputere står over for et problem, som man ikke oplever med en klassisk computer, et fænomen kendt som hardwarestøj. Støjende beregninger giver lidt forskellige svar hver gang en beregning udføres; en støjende additionsoperation kan returnere værdier lidt anderledes end 4 hver gang for spørgsmålet "Hvad er 2 plus 2?"

"Usikkerheden i målingen afhænger af kvantehardwaren," sagde Argonne-forsker Marco Govoni, medforfatter af undersøgelsen. "En af resultaterne af vores arbejde er, at vi var i stand til at korrigere vores simuleringer for at kompensere for den støj, vi stødte på på hardwaren."

At forstå, hvordan man håndterer støjen i kvantecomputere til realistiske simuleringer, er et vigtigt resultat, sagde University of Chicagos kandidatstuderende Benchen Huang, den første forfatter til undersøgelsen.

"Vi kan forudse, at vi i fremtiden kan have støjfri kvanteberegning - at lære at eliminere eller annullere støjen i vores simulering vil også lære os, om kvantefordele kan blive en realitet, og for hvilke problemer inden for materialevidenskab."

I sidste ende vil det banebrydende potentiale ved kvantecomputere ifølge Galli motivere mere arbejde i denne retning.

"Vi er lige begyndt," sagde hun. "Vejen frem ser ud til at være fuld af spændende udfordringer."

Et papir baseret på undersøgelsen udkom online i Physical Review X Quantum den 10. marts. + Udforsk yderligere

Løsning af materialeproblemer med en kvantecomputer