Quantumcomputers hebben een enorm potentieel voor berekeningen met behulp van nieuwe algoritmen en met hoeveelheden gegevens die de capaciteit van de huidige supercomputers ver te boven gaan. Hoewel dergelijke computers zijn gebouwd, ze staan ​​nog in de kinderschoenen en zijn beperkt toepasbaar voor het oplossen van complexe problemen in materiaalkunde en scheikunde. Bijvoorbeeld, ze laten alleen de simulatie toe van de eigenschappen van enkele atomen voor materiaalonderzoek.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de University of Chicago (UChicago) hebben een methode ontwikkeld die de weg vrijmaakt voor het gebruik van kwantumcomputers om realistische moleculen en complexe materialen te simuleren. waarvan de beschrijving honderden atomen vereist.

Het onderzoeksteam wordt geleid door Giulia Galli, directeur van het Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), een groepsleider in de Materials Science-divisie van Argonne en een lid van het Centre for Molecular Engineering in Argonne. Galli is ook de Liew Family Professor of Electronic Structure and Simulations aan de Pritzker School of Molecular Engineering en een professor in de chemie aan de UChicago. Ze werkte aan dit project samen met assistent-wetenschapper Marco Govoni en afgestudeerde student He Ma, beide onderdeel van Argonne's Materials Science-divisie en UChicago.

"Onze nieuw ontwikkelde rekenmethode, "Galli zei, "verbetert aanzienlijk de nauwkeurigheid die haalbaar is met bestaande kwantummechanische methoden met betrekking tot berekeningen voor specifieke defecten in kristallijne materialen, en we hebben het geïmplementeerd op een kwantumcomputer."

In de laatste drie decennia, kwantummechanische theoretische benaderingen hebben een belangrijke rol gespeeld bij het voorspellen van de eigenschappen van materialen die relevant zijn voor de kwantuminformatiewetenschap en functionele materialen voor energietoepassingen, omvattende katalysatoren en energieopslagsystemen. Echter, deze benaderingen zijn rekenkundig veeleisend, en het is nog steeds een uitdaging om ze toe te passen op complexe, heterogene materialen.

"In ons onderzoek hebben we een kwantuminbeddingstheorie ontwikkeld die de simulatie van 'spindefecten' in vaste stoffen mogelijk maakte door kwantum- en klassieke computerhardware te koppelen, "Zei Govoni. Dit soort defecten in vaste stoffen zijn toepasbaar op de ontwikkeling van materialen voor kwantuminformatieverwerking en detectietoepassingen op nanoschaal die veel verder gaan dan de huidige mogelijkheden.

"Onze strategie is een krachtige toekomstgerichte strategie in de computationele materiaalwetenschap met het potentieel om de eigenschappen van complexe materialen nauwkeuriger te voorspellen dan de meest geavanceerde huidige methoden op dit moment kunnen doen, " voegde Govoni eraan toe.

Het team testte eerst de kwantuminbeddingsmethode op een klassieke computer, toepassen op de berekeningen van de eigenschappen van spindefecten in diamant en siliciumcarbide. "Onderzoekers uit het verleden hebben uitgebreid onderzoek gedaan naar defecten in zowel diamant als siliciumcarbide, dus we hadden overvloedige experimentele gegevens om te vergelijken met de voorspellingen van onze methode, " zei Ma. De goede overeenstemming tussen theorie en experiment gaf het team vertrouwen in de betrouwbaarheid van hun methode.

Het team ging vervolgens verder met het testen van dezelfde berekeningen op een kwantumsimulator en uiteindelijk op de IBM Q5 Yorktown-kwantumcomputer. De resultaten bevestigden de hoge nauwkeurigheid en effectiviteit van hun kwantuminbeddingsmethode, het leggen van een opstap naar het oplossen van veel verschillende soorten materiaalwetenschappelijke problemen op een kwantumcomputer.

Galli merkte op dat, "Met de onvermijdelijke volwassenheid van kwantumcomputers, we verwachten dat onze aanpak van toepassing zal zijn op de simulatie van interessegebieden in moleculen en materialen voor het begrijpen en ontdekken van katalysatoren en nieuwe medicijnen, evenals waterige oplossingen die complexe opgeloste soorten bevatten."

Galli's team maakt deel uit van MICCoM, hoofdkantoor in Argonne; de Chicago Quantum Exchange, hoofdkantoor in UChicago; en het QISpin-project gefinancierd door het Air Force Office of Scientific Research.

Hun onderzoek maakte gebruik van de WEST-software die is ontwikkeld binnen MICCoM en maakte gebruik van verschillende computerbronnen naast de openbaar beschikbare IBM-kwantumcomputer:de Argonne Leadership Computing Facility en het National Energy Research Scientific Computing Center, beide DOE Office of Science Gebruikersfaciliteiten; en het University of Chicago Research Computing Center.

Het werk van het team wordt gepresenteerd in een artikel getiteld "Quantum Simulations of Materials on Near-term Quantum Computer" dat verschijnt in het juli 2020-nummer van npj Computational Materials .