科学家使用量子计算机模拟量子材料

量子技术的有前途的自旋量子位，例如碳化硅中的缺陷，在量子计算机上进行模拟，揭示并减轻了硬件噪声的影响。图片来源：Benchen Huang，芝加哥大学。

量子计算机有望通过实现曾经被认为不可能的计算来彻底改变科学。但是，要使量子计算机成为日常现实，还有很长的路要走，要通过许多具有挑战性的测试。

其中一项测试涉及使用量子计算机来模拟下一代量子技术的材料特性。

在美国能源部（DOE）阿贡国家实验室和芝加哥大学的一项新研究中，研究人员对自旋缺陷进行了量子模拟，自旋缺陷是材料中的特定杂质，可以为新的量子技术提供有希望的基础。该研究通过纠正量子硬件引入的噪声，提高了量子计算机上计算的准确性。

该研究是作为中西部计算材料综合中心（MICCoM）的一部分进行的，该中心是总部位于阿贡的DOE计算材料科学计划，以及DOE国家量子信息科学研究中心Q-NEXT。

“我们进行这些模拟的原因是要获得对材料特性的基本理解，并告诉实验者如何最终更好地为新技术设计材料，”普利兹克分子工程学院和芝加哥大学化学系教授，阿贡国家实验室高级科学家Giulia Galli说。 Q-NEXT合作者兼MICCoM总监。“为量子系统获得的实验结果通常相当复杂，可能难以解释。进行模拟对于帮助解释实验结果然后提出新的预测非常重要。

虽然量子模拟在传统计算机上已经进行了很长时间，但量子计算机可能能够解决即使是当今最强大的传统计算机也无法解决的问题。实现这一目标还有待观察，因为围绕这项工作的研究人员继续努力构建和使用量子计算机。

“我们想学习如何使用新兴的新计算技术，”该论文的第一作者Gali说。“在量子计算的早期制定强大的战略是能够理解未来如何有效地使用这些机器的重要的第一步。

研究自旋缺陷提供了一个真实世界的系统来验证量子计算机的能力。

“如今，量子计算机的绝大多数计算都是在模型系统上进行的，”加利说。“这些模型在理论上很有趣，但模拟具有实验意义的实际材料对整个科学界来说更有价值。

在量子计算机上对材料和分子的性质进行计算面临着经典计算机无法体验到的问题，这种现象被称为硬件噪声。每次执行计算时，噪声计算返回的答案略有不同;对于问题，嘈杂的加法运算每次返回的值可能与 4 略有不同，“什么是 2 加 2？

“测量的不确定性取决于量子硬件，”该研究的共同主要作者Argonne科学家Marco Govoni说。“我们工作的成就之一是我们能够纠正我们的模拟，以补偿我们在硬件上遇到的噪声。

了解如何处理量子计算机中的噪声以进行逼真的模拟是一个重要的结果，芝加哥大学研究生Benchen Huang说，他是该研究的第一作者。

“我们可以预见，在未来，我们可能会有无噪音的量子计算 - 学习如何消除或消除我们模拟中的噪音也将教会我们量子优势是否会成为现实，以及材料科学中的哪些问题。

最终，根据Gali的说法，量子计算机的突破性潜力将激励更多的工作沿着这些路线。

“我们才刚刚开始，”她说。“前方的道路看起来充满了令人兴奋的挑战。

基于该研究的一篇论文于3月10日在线发表在《物理评论X量子》上。

更多信息：Benchen Huang等人，模拟量子计算机上自旋缺陷的电子结构，PRX Quantum（2022）。DOI： 10.1103/PRXQuantum.3.010339