En av de viktigaste utmaningarna i det globala FoU-arbetet mot bättre energiteknik – effektiv och korrekt materialsimulering – kan vara ett steg närmare att lösas, baserat på nya tekniker som släppts av den brittiska kvantmjukvarustarten Phasecraft.
Den nya peer-reviewed studien i Fysisk granskning B tidskriften från American Physical Society anger en ny teknik för att modellera fermioniska partiklar – som elektroner – som avsevärt minskar de kvanthårdvaruresurser som behövs för att utföra simuleringar.
Phasecrafts Joel Klassen, som ledde studien, förklarade, "En av de mest spännande potentiella tillämpningarna för kvantberäkning är att simulera fysiska system som material. Med hjälp av nya verktyg, som kvantdatorer, att utveckla en bättre förståelse för hur den naturliga världen fungerar har historiskt ofta lett till dramatiska tekniska genombrott. Våra resultat minskar de resurser som krävs för att utföra dessa simuleringar, föra denna ansökan närmare verkligheten."
"Många viktiga områden som kemi och materialvetenskap handlar om dynamiken hos fermionpartiklar i fysiska system – i form av elektroner. Fermioner är notoriskt svåra att simulera på vanliga datorer så att kunna simulera dem effektivt på en kvantenhet skulle ge en snabbare väg att ta itu med svåra problem inom dessa forskningsområden som att förstå supraledning vid hög temperatur eller förbättra effektiviteten av kemiska reaktioner, sa Charles Derby, en Phasecraft-teammedlem och Ph.D. kandidat vid UCL, som var med och ledde forskningen.
"Vår kompakta representation av fermioner överträffar alla tidigare representationer och förbättrar minnesanvändning och algoritmstorlek var och en med minst 25 % - ett viktigt steg mot praktiska vetenskapliga tillämpningar på kvantdatorer på kort sikt."
Även om kvanthårdvara har sett betydande förbättringar de senaste åren, befintliga enheter förblir begränsade och utsatta för en uppbyggnad av fel, och det finns ett gap mellan vad hårdvara kan göra och de resurser som programvaran behöver. Den nya modelleringstekniken hjälper inte bara till att stänga detta gap, men har den extra fördelen att kunna upptäcka fel i beräkningen. Huvudförfattarna, tillsammans med sina medarbetare, Toby Cubitt och Johannes Bausch på Phasecraft, beskriv hur denna extra funktion kan användas för att åtgärda dessa fel.
Bygger på dessa fynd, Phasecraft genomför småskaliga experiment för att demonstrera dessa resursförbättringar och felreduceringsmetoder på kvanthårdvara, samt att arbeta med etablerade industripartners för att utforska hur de kan användas för simulering av batterimaterial.
"En annan övertygande del av detta nya tillvägagångssätt är feldetekteringen och begränsningen integrerad i fermionkodningen, som är särskilt viktiga på kort sikt, bullriga kvanthårdvara, " förklarade Phasecraft-konsulten och forskningsbidragsgivaren Johannes Bausch.
Phasecraft medgrundare och forskningsbidragsgivare Toby Cubitt kommenterade "På Phasecraft, vi strävar efter att påskynda tidslinjen för kvantfördelar. Denna nya forskning fortsätter våra banbrytande landvinningar för att skapa kompakta, resurseffektiv, felbeständig programvara designad för den begränsade kapaciteten hos kvanthårdvara på kort sikt. Genom att utveckla dessa nya tekniker som är anpassade till kvanthårdvarans begränsningar, Phasecraft kan möjliggöra potentiella genombrott inom energieffektivitet och lagring, kemi, och långt bortom."
