Kvantdatorer lovar att revolutionera vetenskapen genom att möjliggöra beräkningar som en gång ansågs omöjliga. Men för att kvantdatorer ska bli en vardaglig verklighet är det en lång väg kvar med många utmanande tester att klara.

Ett av testerna går ut på att använda kvantdatorer för att simulera materialegenskaper för nästa generations kvantteknologier.

I en ny studie från U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory och University of Chicago, utförde forskare kvantsimuleringar av spindefekter, som är specifika föroreningar i material som kan erbjuda en lovande grund för ny kvantteknologi. Studien förbättrade noggrannheten i beräkningar på kvantdatorer genom att korrigera för brus som introducerats av kvanthårdvara.

Forskningen utfördes som en del av Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), ett DOE-program för beräkningsmaterialvetenskap med huvudkontor i Argonne, samt Q-NEXT, ett DOE National Quantum Information Science Research Center.

"Skälen till att vi gör den här typen av simuleringar är för att få en grundläggande förståelse för materialegenskaper och också för att berätta för experimentalister hur man så småningom bättre kan designa material för ny teknologi", säger Giulia Galli, professor vid Pritzker School of Molecular Engineering och avdelningen of Chemistry vid University of Chicago, senior forskare vid Argonne National Laboratory, Q-NEXT-samarbetspartner och chef för MICCoM. "Experimentella resultat som erhålls för kvantsystem är ofta ganska komplicerade och kan vara svåra att tolka. Att ha en simulering är viktigt för att hjälpa till att tolka experimentella resultat och sedan lägga fram nya förutsägelser."

Medan kvantsimuleringar under lång tid har gjorts på traditionella datorer, kanske kvantdatorer kan lösa problem som inte ens de mest kraftfulla traditionella datorerna idag kan hantera. Att nå det målet återstår att se, eftersom forskare kring arbetet fortsätter arbetet med att bygga och använda kvantdatorer

"Vi vill lära oss hur man använder ny beräkningsteknik som är på väg", säger Galli, huvudförfattare till tidningen. "Att utveckla robusta strategier i de tidiga dagarna av kvantberäkning är ett viktigt första steg för att kunna förstå hur man använder dessa maskiner effektivt i framtiden."

Att titta på spindefekter erbjuder ett verkligt system för att validera kvantdatorernas kapacitet.

"Den stora majoriteten av beräkningar med kvantdatorer idag är på modellsystem," sa Galli. "Dessa modeller är intressanta i teorin, men att simulera ett faktiskt material av experimentellt intresse är mer värdefullt för hela det vetenskapliga samfundet."

Att utföra beräkningar av egenskaper hos material och molekyler på kvantdatorer står inför ett problem som man inte upplever med en klassisk dator, ett fenomen som kallas hårdvarubrus. Bullriga beräkningar ger något olika svar varje gång en beräkning utförs; en bullrig additionsoperation kan returnera värden som skiljer sig något från 4 varje gång för frågan "Vad är 2 plus 2?"

"Osäkerheten i mätningen beror på kvanthårdvaran", säger Argonne-forskaren Marco Govoni, medförfattare till studien. "En av prestationerna med vårt arbete är att vi kunde korrigera våra simuleringar för att kompensera för bruset som vi stötte på på hårdvaran."

Att förstå hur man hanterar bruset i kvantdatorer för realistiska simuleringar är ett viktigt resultat, säger doktorand Benchen Huang vid University of Chicago, studiens första författare.

"Vi kan förutse att vi i framtiden kan ha brusfri kvantberäkning - att lära oss hur man eliminerar eller avbryter bruset i vår simulering kommer också att lära oss om kvantfördelar kan bli verklighet och för vilka problem inom materialvetenskap."

I slutändan, enligt Galli, kommer kvantdatorernas banbrytande potential att motivera mer arbete i dessa banor.

"Vi har precis börjat", sa hon. "Vägen framåt ser full av spännande utmaningar."

En artikel baserad på studien dök upp online i Physical Review X Quantum den 10 mars. + Utforska vidare

Lösa materialproblem med en kvantdator