Quantumcomputers beloven een revolutie teweeg te brengen in de wetenschap door berekeningen mogelijk te maken die ooit voor onmogelijk werden gehouden. Maar voordat kwantumcomputers een dagelijkse realiteit worden, is er nog een lange weg te gaan met veel uitdagende tests die moeten worden doorstaan.

Een van de tests is het gebruik van kwantumcomputers om de eigenschappen van materialen te simuleren voor kwantumtechnologieën van de volgende generatie.

In een nieuwe studie van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de University of Chicago, voerden onderzoekers kwantumsimulaties uit van spindefecten, specifieke onzuiverheden in materialen die een veelbelovende basis zouden kunnen bieden voor nieuwe kwantumtechnologieën. De studie verbeterde de nauwkeurigheid van berekeningen op kwantumcomputers door te corrigeren voor ruis veroorzaakt door kwantumhardware.

Het onderzoek werd uitgevoerd als onderdeel van het Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), een DOE-programma voor computational materials science met het hoofdkantoor in Argonne, evenals Q-NEXT, een DOE National Quantum Information Science Research Center.

"De redenen waarom we dit soort simulaties doen, is om een ​​fundamenteel begrip te krijgen van materiaaleigenschappen en ook om experimentatoren te vertellen hoe ze uiteindelijk materialen voor nieuwe technologieën beter kunnen ontwerpen", zegt Giulia Galli, een professor aan de Pritzker School of Molecular Engineering en de afdeling of Chemistry aan de University of Chicago, senior scientist bij Argonne National Laboratory, Q-NEXT-medewerker en directeur van MICCoM. "Experimentele resultaten die zijn verkregen voor kwantumsystemen zijn vaak nogal ingewikkeld en moeilijk te interpreteren. Het hebben van een simulatie is belangrijk om experimentele resultaten te helpen interpreteren en vervolgens nieuwe voorspellingen te doen."

Hoewel kwantumsimulaties al heel lang op traditionele computers worden uitgevoerd, kunnen kwantumcomputers mogelijk problemen oplossen die zelfs de krachtigste traditionele computers van tegenwoordig niet kunnen oplossen. Het bereiken van dat doel valt nog te bezien, terwijl onderzoekers rond het werk doorgaan met het bouwen en gebruiken van kwantumcomputers

"We willen leren hoe we nieuwe computationele technologieën kunnen gebruiken die in opkomst zijn", zegt Galli, hoofdauteur van het artikel. "Het ontwikkelen van robuuste strategieën in de begindagen van quantum computing is een belangrijke eerste stap om te begrijpen hoe deze machines in de toekomst efficiënt kunnen worden gebruikt."

Kijken naar spindefecten biedt een realistisch systeem om de mogelijkheden van kwantumcomputers te valideren.

"De grote meerderheid van de berekeningen met kwantumcomputers zijn tegenwoordig op modelsystemen", zei Galli. "Deze modellen zijn in theorie interessant, maar het simuleren van echt materiaal van experimenteel belang is waardevoller voor de hele wetenschappelijke gemeenschap."

Het uitvoeren van berekeningen van de eigenschappen van materialen en moleculen op kwantumcomputers stuit op een probleem dat men niet ervaart met een klassieke computer, een fenomeen dat bekend staat als hardwareruis. Luidruchtige berekeningen geven elke keer dat een berekening wordt uitgevoerd iets andere antwoorden; een optelbewerking met ruis kan waarden opleveren die elke keer iets anders zijn dan 4 voor de vraag "Wat is 2 plus 2?"

"De onzekerheid in de meting hangt af van de kwantumhardware", zegt Argonne-wetenschapper Marco Govoni, co-hoofdauteur van de studie. "Een van de prestaties van ons werk is dat we onze simulaties konden corrigeren om de ruis die we op de hardware tegenkwamen te compenseren."

Begrijpen hoe om te gaan met de ruis in kwantumcomputers voor realistische simulaties is een belangrijk resultaat, zei afgestudeerde student Benchen Huang van de Universiteit van Chicago, de eerste auteur van het onderzoek.

"We kunnen anticiperen dat we in de toekomst misschien geruisloze kwantumcomputers hebben - leren hoe we de ruis in onze simulatie kunnen elimineren of annuleren, zal ons ook leren of kwantumvoordeel werkelijkheid kan worden en voor welke problemen in de materiaalwetenschap."

Volgens Galli zal het baanbrekende potentieel van kwantumcomputers uiteindelijk leiden tot meer werk in deze richting.

'We zijn net begonnen,' zei ze. "De weg die voor ons ligt ziet er vol spannende uitdagingen uit."

Een paper op basis van de studie verscheen online in Physical Review X Quantum op 10 maart. + Verder verkennen

Materiaalproblemen oplossen met een kwantumcomputer