Forskere bruker kvantedatamaskiner for å simulere kvantematerialer

Kvantedatamaskiner lover å revolusjonere vitenskapen ved å muliggjøre beregninger som en gang ble antatt umulige. Men for at kvantedatamaskiner skal bli en hverdagsrealitet, er det en lang vei å gå med mange utfordrende tester å bestå.

En av testene innebærer å bruke kvantedatamaskiner for å simulere egenskapene til materialer for neste generasjons kvanteteknologier.

I en ny studie fra US Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory og University of Chicago, utførte forskere kvantesimuleringer av spinndefekter, som er spesifikke urenheter i materialer som kan tilby et lovende grunnlag for nye kvanteteknologier. Studien forbedret nøyaktigheten av beregninger på kvantedatamaskiner ved å korrigere for støy introdusert av kvantemaskinvare.

Forskningen ble utført som en del av Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), en DOE beregningsbasert materialvitenskap program med hovedkontor i Argonne, samt Q-NEXT, et DOE National Quantum Information Science Research Center.

“Grunnen til at vi gjør denne typen simuleringer er for å få en grunnleggende forståelse av materialegenskaper og også for å fortelle eksperimentelle hvordan de til slutt kan designe materialer for nye teknologier bedre,” sa Giulia Galli, professor ved Pritzker School of Molecular Engineering og avdelingen. of Chemistry ved University of Chicago, seniorforsker ved Argonne National Laboratory, Q-NEXT-samarbeidspartner og direktør for MICCoM. “Eksperimentelle resultater oppnådd for kvantesystemer er ofte ganske intrikate og kan være vanskelige å tolke. Har en simulering er viktig for å hjelpe til med å tolke eksperimentelle resultater og deretter legge frem nye spådommer.”

Mens kvantesimuleringer i lang tid har blitt gjort på tradisjonelle datamaskiner, kan kvantedatamaskiner være i stand til å løse problemer som selv de kraftigste tradisjonelle datamaskinene i dag ikke kan takle. Å nå dette målet gjenstår å se, ettersom forskere rundt arbeidet fortsetter arbeidet med å bygge og bruke kvantedatamaskiner

“Vi ønsker å lære å bruke nye beregningsteknologier som er på vei,” sa Galli, hovedforfatter av papiret. “Å utvikle robuste strategier i de tidlige dagene av kvantedatabehandling er et viktig første skritt for å kunne forstå hvordan man kan bruke disse maskinene effektivt i fremtiden.”

Å se på spinnfeil tilbyr et virkelig system for å validere evnene til kvantedatamaskiner.

“Det store flertallet av beregninger med kvantedatamaskiner i disse dager er på modellsystemer,” sa Galli. “Disse modellene er interessante i teorien, men å simulere et faktisk materiale av eksperimentell interesse er mer verdifullt for hele det vitenskapelige samfunnet.”

Utføre beregninger av egenskaper til materialer og molekyler på kvantedatamaskiner står overfor et problem som man ikke opplever med en klassisk datamaskin, et fenomen kjent som maskinvarestøy. Støyende beregninger gir litt forskjellige svar hver gang en beregning utføres; en støyende tilleggsoperasjon kan returnere verdier som er litt forskjellige fra 4 hver gang for spørsmålet “Hva er 2 pluss 2?”

“Usikkerheten i målingen avhenger av kvantemaskinvaren,” sa Argonne-forsker Marco Govoni, medforfatter av studien. “En av prestasjonene med arbeidet vårt er at vi var i stand til å korrigere simuleringene våre for å kompensere for støyen vi møtte på maskinvaren.”

Å forstå hvordan man håndterer støyen i kvantedatamaskiner for realistiske simuleringer er et viktig resultat, sa University of Chicago graduate student Benchen Huang, den første forfatteren av studien.

“Vi kan forutse at vi i fremtiden kan ha støyfri kvanteberegning – å lære å eliminere eller kansellere støyen i simuleringen vår vil også lære oss om kvantefordeler kan bli en realitet og for hvilke problemer innen materialvitenskap.”

Til slutt, ifølge Galli, vil det banebrytende potensialet til kvantedatamaskiner motivere mer arbeid langs disse linjene.

“Vi har akkurat begynt,” sa hun. “Veien fremover ser full av spennende utfordringer.”

En artikkel basert på studien dukket opp på nettet i Fysisk gjennomgang X Quantum den 10. mars.

---

---