Een multi-institutioneel team was de eerste die nauwkeurige resultaten genereerde van materiaalwetenschappelijke simulaties op een kwantumcomputer die kunnen worden geverifieerd met neutronenverstrooiingsexperimenten en andere praktische technieken.

Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy; de Universiteit van Tennessee, Knoxville; Purdue University en D-Wave Systems maakten gebruik van de kracht van kwantumgloeien, een vorm van kwantumcomputers, door een bestaand model in te bedden in een kwantumcomputer.

Het karakteriseren van materialen is lange tijd een kenmerk geweest van klassieke supercomputers, die informatie coderen met behulp van een binair systeem van bits waaraan elk een waarde van 0 of 1 is toegewezen. Maar kwantumcomputers - in dit geval, D-Wave's 2000Q - vertrouw op qubits, die kan worden gewaardeerd op 0, 1 of beide tegelijkertijd vanwege een kwantummechanische mogelijkheid die bekend staat als superpositie.

"De onderliggende methode achter het oplossen van materiaalwetenschappelijke problemen op kwantumcomputers was al ontwikkeld, maar het was allemaal theoretisch, " zei Paul Kairys, een student aan het Bredesen Center for Interdisciplinair Onderzoek en Graduate Education van de UT Knoxville die ORNL's bijdragen aan het project leidde. "We hebben nieuwe oplossingen ontwikkeld om materiaalsimulaties op echte kwantumapparaten mogelijk te maken."

Deze unieke benadering bewees dat kwantumbronnen in staat zijn om de magnetische structuur en eigenschappen van deze materialen te bestuderen, wat zou kunnen leiden tot een beter begrip van spinvloeistoffen, spin-ijs en andere nieuwe fasen van materie die nuttig zijn voor gegevensopslag en spintronica-toepassingen. De onderzoekers publiceerden de resultaten van hun simulaties - die overeenkwamen met theoretische voorspellingen en sterk leken op experimentele gegevens - in PRX Quantum .

Eventueel, de kracht en robuustheid van kwantumcomputers zouden deze systemen in staat kunnen stellen om beter te presteren dan hun klassieke tegenhangers in termen van zowel nauwkeurigheid als complexiteit, nauwkeurige antwoorden geven op materiaalwetenschappelijke vragen in plaats van benaderingen. Echter, kwantumhardwarebeperkingen maakten dergelijke onderzoeken voorheen moeilijk of onmogelijk om te voltooien.

Om deze beperkingen te overwinnen, de onderzoekers programmeerden verschillende parameters in het Shastry-Sutherland Ising-model. Omdat het opvallende overeenkomsten vertoont met de zeldzame aarde-tetraboriden, een klasse van magnetische materialen, latere simulaties met dit model zouden substantiële inzichten kunnen opleveren in het gedrag van deze tastbare stoffen.

"We zijn aangemoedigd dat het nieuwe platform voor kwantumgloeien ons direct kan helpen materialen met gecompliceerde magnetische fasen te begrijpen, zelfs die met meerdere gebreken, " zei co-corresponderende auteur Arnab Banerjee, een assistent-professor aan Purdue. "Deze mogelijkheid zal ons helpen om echte materiële gegevens van een verscheidenheid aan neutronenverstrooiing te begrijpen, magnetische gevoeligheid en warmtecapaciteitsexperimenten, wat anders heel moeilijk kan zijn."

Magnetische materialen kunnen worden beschreven in termen van magnetische deeltjes die spins worden genoemd. Elke spin heeft een voorkeursoriëntatie op basis van het gedrag van de aangrenzende spins, maar zeldzame aarde-tetraboriden zijn gefrustreerd, wat betekent dat deze oriëntaties onverenigbaar zijn met elkaar. Als resultaat, de spins worden gedwongen een compromis te sluiten over een collectieve configuratie, wat leidt tot exotisch gedrag zoals fractionele magnetisatieplateaus. Dit eigenaardige gedrag treedt op wanneer een aangelegd magnetisch veld, waardoor normaal gesproken alle spins in één richting wijzen, beïnvloedt slechts enkele spins op de gebruikelijke manier, terwijl andere in plaats daarvan in de tegenovergestelde richting wijzen.

Met behulp van een Monte Carlo-simulatietechniek aangedreven door de kwantumevolutie van het Ising-model, het team evalueerde dit fenomeen in microscopisch detail.

"We hebben nieuwe manieren bedacht om de grenzen weer te geven, of randen, van het materiaal om de kwantumcomputer te laten denken dat het materiaal in feite oneindig was, en dat bleek cruciaal voor het correct beantwoorden van materiaalwetenschappelijke vragen, " zei co-corresponderende auteur Travis Humble. Humble is een ORNL-onderzoeker en adjunct-directeur van het Quantum Science Center, of QSC, een DOE Quantum Information Science Research Center opgericht bij ORNL in 2020. De personen en instellingen die bij dit onderzoek betrokken zijn, zijn QSC-leden.

Kwantumbronnen hebben eerder kleine moleculen gesimuleerd om chemische of materiële systemen te onderzoeken. Nog, het bestuderen van magnetische materialen die duizenden atomen bevatten, is mogelijk vanwege de grootte en veelzijdigheid van het kwantumapparaat van D-Wave.

"D-Wave-processors worden nu gebruikt om magnetische systemen van praktisch belang te simuleren, lijken op echte verbindingen. Dit is een groot probleem en brengt ons van het notitieblok naar het lab, " zei Andrew King, directeur performance research bij D-Wave. "Het uiteindelijke doel is om fenomenen te bestuderen die onhandelbaar zijn voor klassieke computers en buiten het bereik van bekende experimentele methoden."

De onderzoekers verwachten dat hun nieuwe simulaties zullen dienen als basis om toekomstige inspanningen op kwantumcomputers van de volgende generatie te stroomlijnen. Ondertussen, ze zijn van plan om gerelateerd onderzoek te doen via de QSC, van het testen van verschillende modellen en materialen tot het uitvoeren van experimentele metingen om de resultaten te valideren.

"We hebben de grootst mogelijke simulatie voor dit model voltooid op de grootste kwantumcomputer die destijds beschikbaar was, en de resultaten toonden de significante belofte aan van het gebruik van deze technieken voor materiaalwetenschappelijke studies in de toekomst, ' zei Kairys.