Kvantdatorer har en enorm potential för beräkningar med hjälp av nya algoritmer och med mängder data långt bortom dagens superdatorer. Medan sådana datorer har byggts, de är fortfarande i sin linda och har begränsad tillämpbarhet för att lösa komplexa problem inom materialvetenskap och kemi. Till exempel, de tillåter bara simulering av några atoms egenskaper för materialforskning.

Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory och University of Chicago (UChicago) har utvecklat en metod som banar väg för att använda kvantdatorer för att simulera realistiska molekyler och komplexa material, vars beskrivning kräver hundratals atomer.

Forskargruppen leds av Giulia Galli, chef för Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), en gruppledare i Argonnes materialvetenskapsavdelning och medlem i Center for Molecular Engineering i Argonne. Galli är också familjeprofessor Liew i elektronisk struktur och simuleringar vid Pritzker School of Molecular Engineering och professor i kemi vid UChicago. Hon arbetade på detta projekt med biträdande forskaren Marco Govoni och doktoranden He Ma, både en del av Argonnes materialvetenskapliga division och UChicago.

"Vår nyutvecklade beräkningsmetod, "Sa Galli, "förbättrar kraftigt den noggrannhet som kan uppnås med befintliga kvantmekaniska metoder när det gäller beräkningar för specifika defekter i kristallina material, och vi har implementerat det på en kvantdator. "

Under de senaste tre decennierna har kvantmekaniska teoretiska tillvägagångssätt har spelat en viktig roll för att förutsäga egenskaperna hos material som är relevanta för kvantinformationsvetenskap och funktionella material för energitillämpningar, omfattande katalysatorer och energilagringssystem. Dock, dessa tillvägagångssätt är beräkningskrävande, och det är fortfarande utmanande att tillämpa dem på komplexa, heterogena material.

"I vår forskning utvecklade vi en kvantinbäddningsteori som möjliggjorde simulering av" spindefekter "i fasta ämnen genom att koppla kvant- och klassisk datorhårdvara, "Govoni sa. Dessa typer av defekter i fasta ämnen har tillämplighet på utveckling av material för kvantinformationsbehandling och nanoskala avkänningstillämpningar långt bortom nuvarande kapacitet.

"Vår är en kraftfull framåtblickande strategi inom beräkningsmaterialvetenskap med potential att förutsäga egenskaperna hos komplexa material mer exakt än vad de mest avancerade nuvarande metoderna kan göra för närvarande, "Tillade Govoni.

Teamet testade först kvantinbäddningsmetoden på en klassisk dator, tillämpa den på beräkningarna av egenskaperna hos spinndefekter i diamant och kiselkarbid. "Tidigare forskare har utförligt studerat defekter i både diamant och kiselkarbid, så vi hade gott om experimentella data att jämföra med våra metoders förutsägelser, "sa Ma. Den goda överensstämmelsen mellan teori och experiment gav laget förtroende för metodens tillförlitlighet.

Teamet gick sedan vidare för att testa samma beräkningar på en kvantsimulator och slutligen på kvantdatorn IBM Q5 Yorktown. Resultaten bekräftade den höga noggrannheten och effektiviteten av deras kvantinbäddningsmetod, etablera ett steg för att lösa många olika typer av materialvetenskapliga problem på en kvantdator.

Galli noterade att "Med kvantdatorernas oundvikliga mognad, vi förväntar oss att vårt tillvägagångssätt kommer att vara tillämpligt på simulering av regioner av intresse för molekyler och material för förståelse och upptäckt av katalysatorer och nya läkemedel, liksom vattenhaltiga lösningar som innehåller komplexa upplösta arter. "

Gallis team är en del av MICCoM, med huvudkontor i Argonne; Chicago Quantum Exchange, med huvudkontor i UChicago; och QISpin -projektet som finansieras av Air Force Office of Scientific Research.

Deras forskning utnyttjade WEST -mjukvaran som utvecklats inom MICCoM och använde sig av flera datorresurser förutom den allmänt tillgängliga kvantdatorn:Argonne Leadership Computing Facility och National Energy Research Scientific Computing Center, både DOE Office of Science användarfaciliteter; och University of Chicago Research Computing Center.

Teamets arbete presenteras i en artikel med titeln "Quantum Simulations of Materials on Near-term Quantum Computer" som visas i juli 2020-numret av npj Beräkningsmaterial .