Een van de belangrijkste uitdagingen in de wereldwijde R&D-inspanningen naar betere energietechnologieën - efficiënte en nauwkeurige materiaalsimulatie - kan een stap dichter bij de oplossing zijn, gebaseerd op nieuwe technieken die zijn vrijgegeven door de in het VK gevestigde kwantumsoftware-startup Phasecraft.

De nieuwe peer-reviewed studie in de Fysieke beoordeling B tijdschrift van de American Physical Society beschrijft een nieuwe techniek voor het modelleren van fermionische deeltjes - zoals elektronen - die de kwantumhardwarebronnen die nodig zijn om simulaties uit te voeren aanzienlijk vermindert.

Joel Klassen van Phasecraft, die mede leiding gaf aan de studie, uitgelegd, "Een van de meest opwindende potentiële toepassingen voor kwantumcomputing is het simuleren van fysieke systemen zoals materialen. Met behulp van nieuwe tools, zoals kwantumcomputers, het ontwikkelen van een beter begrip van hoe de natuurlijke wereld werkt, heeft historisch vaak geleid tot dramatische technologische doorbraken. Onze resultaten verminderen de middelen die nodig zijn om deze simulaties uit te voeren, deze toepassing dichter bij de realiteit brengen."

"Veel belangrijke gebieden, zoals scheikunde en materiaalwetenschap, houden zich bezig met de dynamiek van fermiondeeltjes in fysieke systemen - in de vorm van elektronen. Fermionen zijn notoir moeilijk te simuleren op gewone computers, dus als je ze efficiënt op een kwantumapparaat zou kunnen simuleren, zou een snellere weg om moeilijke problemen op deze onderzoeksgebieden aan te pakken, zoals het begrijpen van supergeleiding bij hoge temperaturen of het verbeteren van de efficiëntie van chemische reacties, " zei Charles Derby, een Phasecraft-teamlid en Ph.D. kandidaat aan de UCL, die het onderzoek mede leidde.

"Onze compacte weergave van fermionen presteert beter dan alle eerdere weergaven, waardoor het geheugengebruik en de algoritmegrootte elk met minstens 25% worden verbeterd - een belangrijke stap in de richting van praktische wetenschappelijke toepassingen op kwantumcomputers op korte termijn."

Hoewel kwantumhardware de afgelopen jaren aanzienlijke verbeteringen heeft ondergaan, bestaande apparaten blijven beperkt en vatbaar voor een opeenhoping van fouten, en er bestaat een kloof tussen wat hardware kan en de middelen die software nodig heeft. De nieuwe modelleringstechniek helpt niet alleen deze kloof te dichten, maar heeft als bijkomend voordeel dat het fouten in de berekening kan detecteren. De hoofdauteurs, samen met hun medewerkers, Toby Cubitt en Johannes Bausch bij Phasecraft, leg uit hoe deze extra functie kan worden gebruikt om deze fouten te verhelpen.

Voortbouwend op deze bevindingen, Phasecraft voert kleinschalige experimenten uit om deze bronverbeteringen en foutbeperkingsmethoden op kwantumhardware te demonstreren, evenals het werken met gevestigde industriële partners om te onderzoeken hoe ze kunnen worden toegepast op simulatie van batterijmateriaal.

"Een ander overtuigend onderdeel van deze nieuwe aanpak is de foutdetectie en -beperking die is geïntegreerd in de fermioncodering, die bijzonder belangrijk zijn op korte termijn, luidruchtige kwantumhardware, ", legt Phasecraft-consultant en onderzoeksmedewerker Johannes Bausch uit.

Phasecraft mede-oprichter en onderzoeksmedewerker Toby Cubitt merkte op:"Bij Phasecraft, we willen de tijdlijn versnellen voor kwantumvoordeel. Dit nieuwe onderzoek zet onze baanbrekende prestaties voort voor het creëren van compacte, hulpbronnenefficiënt, foutbestendige software ontworpen voor de beperkte capaciteit van quantumhardware voor de korte termijn. Door deze nieuwe technieken te ontwikkelen die zijn afgestemd op de beperkingen van kwantumhardware, Phasecraft kan potentiële doorbraken mogelijk maken op het gebied van energie-efficiëntie en opslag, scheikunde, en ver daarbuiten."