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用量子计算机解决材料问题

更新时间:2020-08-28 10:50点击:

量子计算机在使用新算法进行计算方面有着巨大的潜力,涉及的数据量远远超过当今超级计算机的能力。虽然这样的计算机已经被制造出来,但它们仍处于初级阶段,在解决材料科学和化学方面的复杂问题方面适用性有限。例如,它们只允许在材料研究中模拟几个原子的性质。

美国能源部阿贡国家实验室和芝加哥大学的科学家开发了一种方法,为使用量子计算机模拟真实分子和复杂材料铺平了道路,这些材料的描述需要数百个原子。

该研究小组由中西部计算材料综合中心(MICCoM)主任朱利亚·加利(Giulia Galli)领导,朱利亚·加利是Argonne材料科学部的组长,也是Argonne分子工程中心的成员。加利也是普利兹克分子工程学院电子结构和模拟的刘家教授,也是芝加哥大学的化学教授。她与助理科学家马可·戈沃尼(Marco Govoni)和研究生何马(He Ma)一起从事这个项目,他们都是阿贡大学材料科学部和芝加哥大学的成员。

“我们新开发的计算方法,”加利说,“极大地提高了现有量子力学方法对晶体材料特定缺陷的计算精度,我们已经在量子计算机上实现了它。”

在过去的三十年里,量子力学理论方法在预测与量子信息科学相关的材料和能源应用功能材料的性能方面发挥了重要作用,包括催化剂和储能系统。然而,这些方法对计算要求很高,而且将其应用于复杂的、非均匀的材料仍然具有挑战性。

“在我们的研究中,我们开发了一种量子嵌入理论,通过耦合量子和经典计算硬件,可以模拟固体中的自旋缺陷,”Govoni说。固体中的这些类型的缺陷对量子信息处理和纳米级传感应用材料的发展具有远远超出当前能力的适用性。

Govoni补充道:“我们的方法是计算材料科学中一个强大的前瞻性策略,能够比目前最先进的方法更准确地预测复杂材料的性能。”

该团队首先在一台经典计算机上测试了量子嵌入方法,并将其应用于计算金刚石和碳化硅的自旋缺陷的性质。“过去的研究人员已经广泛研究了金刚石和碳化硅的缺陷,所以我们有大量的实验数据来与我们的方法的预测进行比较,”马说。理论和实验之间的良好一致性使这个团队对他们的方法的可靠性有了信心。

然后,该团队继续在量子模拟器上测试同样的计算结果,最后在IBM Q5 Yorktown量子计算机上进行了测试。结果证实了他们的量子嵌入方法的高精度和有效性,为在量子计算机上解决多种材料科学问题奠定了基础。

加利指出,“随着量子计算机的不可避免的成熟,我们希望我们的方法将适用于模拟分子和材料感兴趣的区域,以了解和发现催化剂和新药,以及包含复杂溶解物种的水溶液。”

加利的团队隶属于总部位于阿尔贡的MICCoM公司;芝加哥量子交易所,总部位于芝加哥大学;空军科研办公室资助的QISpin项目。

他们的研究利用了MICCoM内部开发的西方软件,并利用了除了公开可用的IBM量子计算机之外的一些计算资源:Argonne Leadership计算设施和国家能源研究科学计算中心,这两个都是能源部科学办公室的用户设施;和芝加哥大学计算机研究中心。

该团队的研究成果发表在一篇题为“近期量子计算机上材料的量子模拟”的文章中,这篇文章发表在npj计算材料杂志2020年7月号上。