Ett multiinstitutionellt team blev det första att generera korrekta resultat från materialvetenskapliga simuleringar på en kvantdator som kan verifieras med neutronspridningsexperiment och andra praktiska tekniker.

Forskare från Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory; University of Tennessee, Knoxville; Purdue University och D-Wave Systems utnyttjade kraften i kvantglödgning, en form av kvantberäkning, genom att bädda in en befintlig modell i en kvantdator.

Karakteriserande material har länge varit ett kännetecken för klassiska superdatorer, som kodar information med hjälp av ett binärt system av bitar som var och en tilldelas ett värde på antingen 0 eller 1. Men kvantdatorer – i det här fallet, D-Waves 2000Q—lita på qubits, som kan värderas till 0, 1 eller båda samtidigt på grund av en kvantmekanisk förmåga känd som superposition.

"Den underliggande metoden bakom att lösa materialvetenskapliga problem på kvantdatorer hade redan utvecklats, men allt var teoretiskt, sa Paul Kairys, en student vid UT Knoxvilles Bredesen Center for Interdisciplinary Research and Graduate Education som ledde ORNL:s bidrag till projektet. "Vi utvecklade nya lösningar för att möjliggöra materialsimuleringar på verkliga kvantenheter."

Detta unika tillvägagångssätt visade att kvantresurser är kapabla att studera den magnetiska strukturen och egenskaperna hos dessa material, vilket kan leda till en bättre förståelse av spinnvätskor, spin ices och andra nya faser av materia som är användbara för datalagring och spintronikapplikationer. Forskarna publicerade resultaten av sina simuleringar – som matchade teoretiska förutsägelser och liknade starkt experimentella data – i PRX Quantum .

Så småningom, kraften och robustheten hos kvantdatorer skulle kunna göra det möjligt för dessa system att överträffa sina klassiska motsvarigheter när det gäller både noggrannhet och komplexitet, ger exakta svar på materialvetenskapliga frågor istället för uppskattningar. Dock, Kvanthårdvarubegränsningar gjorde tidigare sådana studier svåra eller omöjliga att slutföra.

För att övervinna dessa begränsningar, forskarna programmerade in olika parametrar i Shastry-Sutherland Ising-modellen. Eftersom den delar slående likheter med de sällsynta jordartsmetallerna, en klass av magnetiska material, efterföljande simuleringar med denna modell skulle kunna ge betydande insikter om beteendet hos dessa påtagliga ämnen.

"Vi är uppmuntrade att den nya kvantglödgningsplattformen direkt kan hjälpa oss att förstå material med komplicerade magnetiska faser, även de som har flera defekter, " sa medkorrespondent författare Arnab Banerjee, en biträdande professor vid Purdue. "Denna förmåga kommer att hjälpa oss att förstå verklig materialdata från en mängd olika neutronspridning, experiment med magnetisk känslighet och värmekapacitet, vilket kan vara väldigt svårt annars."

Magnetiska material kan beskrivas i termer av magnetiska partiklar som kallas spins. Varje snurr har en föredragen orientering baserat på beteendet hos dess närliggande snurr, men tetraborider av sällsynta jordartsmetaller är frustrerade, vilket innebär att dessa orienteringar är oförenliga med varandra. Som ett resultat, snurren tvingas kompromissa med en kollektiv konfiguration, leder till exotiskt beteende såsom fraktionerad magnetiseringsplatåer. Detta märkliga beteende uppstår när ett applicerat magnetfält, vilket normalt gör att alla snurr pekar i en riktning, påverkar bara vissa snurr på vanligt sätt medan andra pekar i motsatt riktning istället.

Genom att använda en Monte Carlo-simuleringsteknik som drivs av kvantutvecklingen av Ising-modellen, teamet utvärderade detta fenomen i mikroskopisk detalj.

"Vi kom på nya sätt att representera gränserna, eller kanter, av materialet för att lura kvantdatorn att tro att materialet faktiskt var oändligt, och det visade sig vara avgörande för att korrekt svara på materialvetenskapliga frågor, ", sa medförfattaren Travis Humble. Humble är en ORNL-forskare och biträdande chef för Quantum Science Center, eller QSC, ett DOE Quantum Information Science Research Center etablerat vid ORNL 2020. De individer och institutioner som är involverade i denna forskning är QSC-medlemmar.

Kvantresurser har tidigare simulerat små molekyler för att undersöka kemiska eller materialsystem. Än, att studera magnetiska material som innehåller tusentals atomer är möjligt på grund av storleken och mångsidigheten hos D-Waves kvantenhet.

"D-Wave-processorer används nu för att simulera magnetiska system av praktiskt intresse, liknar verkliga föreningar. Det här är en stor sak och tar oss från anteckningsblocket till labbet, sa Andrew King, chef för prestationsforskning på D-Wave. "Det yttersta målet är att studera fenomen som är svårhanterliga för klassisk datoranvändning och utanför räckhåll för kända experimentella metoder."

Forskarna räknar med att deras nya simuleringar kommer att fungera som en grund för att effektivisera framtida ansträngningar på nästa generations kvantdatorer. Sålänge, de planerar att bedriva relaterad forskning genom QSC, från att testa olika modeller och material till att utföra experimentella mätningar för att validera resultaten.

"Vi genomförde den största möjliga simuleringen för den här modellen på den största kvantdatorn som fanns tillgänglig vid den tiden, och resultaten visade det betydande löftet att använda dessa tekniker för materialvetenskapliga studier framöver, sa Kairys.